JP2001346295A

JP2001346295A - 音響整合部材とその製造方法

Info

Publication number: JP2001346295A
Application number: JP2000164276A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Betsusou; 大介別荘; Hideki Morozumi; 英樹両角; Takeshi Nagai; 彪長井; Kenzo Ochi; 謙三黄地
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-06-01
Filing date: 2000-06-01
Publication date: 2001-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は超音波送受波器に関するもので、特
に超音波受発生する手段と、気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おいて、相反する関係に
ある音響整合部材を構成する集合体中を伝播する音の減
衰度合いと、集合体の音響インピーダンスとの最適点を
実現する、音響整合部材の製造方法を見出すことを課題
とするものである。【解決手段】複数の微小片８を集合して、それぞれの
前記微小片の接触面で、互いに接合するように、前記微
小片を構成する材料が軟化する温度まで加熱し、さらに
荷重をかけて集合体７を構成するとしてある。従って集
合体７の密度と微小片８の接合強度とを自在に調整でき
るという効果がある。

Description

【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、特に超音波を受発信する手
段と、流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。

【０００２】

【従来の技術】物体の音響インピーダンスは密度×音速
で求められる。空気中の音響インピーダンスＺ_AIRは約
４２８kg/m²s、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Ｚ_PZT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異による音の反射が発生
し、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。音響整合部材の音響イ
ンピーダンスＺ_Mは理論計算から、

【０００３】

【数１】

【０００４】を満たす値が、音の反射がない状態になる
理想値で、上記したＺ_PZT及びＺ_AIRの値を用いると、こ
の値は約０．１１×１０⁶kg/m²sとなる。

【０００５】図１０は、音響整合部材の音響インピーダ
ンスと圧電振動子から空気中に放射される音のエネルギ
ーの割合の関係を示した特性図である。音響インピーダ
ンス約０．１１×１０⁶kg/m²sで、透過の割合が１とな
り反射のないことを示している。

【０００６】このような理想の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、密度が軽く、かつ、音速が遅いことが必要である。

【０００７】このため、従来の音響整合部材には図１１
に示すように、樹脂材料２０にガラスバルーン２１を混
ぜて固めた構成のものがある。ガラスバルーンは中空で
あるので、非常に軽いという特徴がある。これを樹脂に
まぜて固めて得られた集合体は、樹脂だけで固めて得ら
れた集合体に比べ密度が軽くなる。また、用いるガラス
バルーンの大きさは、音響整合部材を伝播する振動つま
り音の波長よりも、十分小さく、およそ振動の波長の１
／１０以下が、振動伝播に影響を与えにくいことから選
択されている。音速はおよそ２３００m/sで、密度は
１．２g/cm³の樹脂材料に、真比重０．１３g/cm³のガラ
スバルーン（商標名「３Ｍガラス発泡体」）を混ぜて固
めると、密度０．５６g/cm³、音速２１００m/sの音響整
合部材が得られる。これの音響インピーダンスＺ_COMは
１．１８×１０⁶kg/m²sとなる。

【０００８】また、特開昭６３−１０３９９３号公報に
はガラス層にガラス製マイクロバルーンを内有した構成
の音響整合部材が示されている。この発明の特徴は、音
響整合層をガラスだけで構成するので、高温時にも物性
の変化がないこということである。ただし、ガラスの音
速は５０００〜６０００m/sec、密度は２．２g/cm³なの
で、このような構成で得られた音響整合部材は、音速が
早く、密度が大きくなり、音響インピーダンスは大きな
値になるものと推定される。

【０００９】また、特開平２−１７７７９９号公報はガ
ラスの中空球体だけで音響整合部材を構成することを特
徴としており、その製造方法はガラスの中空球体が軟化
する温度に加熱して、圧縮することで中空球体のそれぞ
れの接触点で結合させる方法が開示されている。ガラス
の中空球体は商標名「３Ｍガラス発泡体」を用い、得ら
れた音響整合部材は音速９００m/sec、音響インピーダ
ンスＺ_BGは約０．４５×１０⁶kg/m²sの特性を持つこと
が明記されている。音響インピーダンスは音速×密度で
表されるので、この音響整合部材は密度が０．５g/cm³
となる。ガラスの音速は５０００〜６０００m/secであ
るが、中空球体とすることにより音速が９００m/secま
で下がる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
に記載されている音響整合部材には次に示すような課題
がある。

【００１１】前述した音響整合部材の音響インピーダン
スＺ_BGとＺ_COMとを、図９の特性図上にプロットする
と、Ｚ_BGは記号Ｘに位置し、Ｚ_COMは記号Ｙに位置し、
透過の割合はＺ_BGの場合が０．２１、Ｚ_COMの場合が
０．０５となり、Ｚ_COMの場合に比べ、Ｚ_BGの場合は音
の透過率が４倍となる。しかしながら、実際には４倍の
出力が得られることはなく、両者ともほぼ同等なレベル
である。これはＺ_BGを得る音響整合部材は、Ｚ_COMを得
る音響整合部材と比較して、その音響整合部材を伝播し
ている最中に音が減衰しやすいことにあると考えられ
る。反対にＺ_COMを得る音響整合部材はその音響整合部
材を伝播している最中の音の減衰は小さいが、Ｚ _BGを得
る集合体と比較して、音速が速いため音響インピーダン
スが大きくなり、音が空気中へ放射されるときの反射が
大きくなる。結局、実際の両音響整合部材の音の出力の
大きさには大差がない。このため、Ｚ_BGやＺ_COMを得る
音響整合部材で構成される音響整合部材より、音の出力
が大となる音響整合部材が求められている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の音響整合部材
は、複数の微小片を集合させて結合させた集合体を用い
ることで、微小片の接触面を通って集合体中を伝播する
音は、直線的に伝播することがなく、音速を低減するこ
とができる。さらに、それぞれの微小片の形状、大き
さ、または集合体を形成する工程での加熱温度と圧力と
を調整することにより、微小片同志の接触面積と接触強
度とを調整することができ、集合体を伝播する音の減衰
度合いと、集合体の密度とを調整することができる。こ
れにより集合体を伝播する音の減衰度合いと、音響イン
ピーダンスとの関係を最適にすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１にかかる音響整
合部材は、複数の微小片を集合して、それぞれの微小片
の接触面で、互いに接合する構成とした集合体を用い
る。そして、それぞれの微小片が、互いに接触する面で
接合するため、音が伝播する経路が形成され、集合体中
を音が伝播することができる。

【００１４】本発明の請求項２にかかる音響整合部材
は、立体構造部分を持つ微小片を集合して微小片の接触
面で、互いに接合する構成とした集合体を用いる。そし
て、微小片は立体構造部分を有することにより、それぞ
れの微小片の間に空間を構成しやすくなるため、集合体
の密度を低減することが容易になる。

【００１５】本発明の請求項３にかかる音響整合部材
は、複数の微小片を互いに振動つまり音が直線的に伝播
しないように配置する構成とした集合体を用いる。そし
て、振動つまり音が直線的に伝播しないので音速を遅く
することができる。

【００１６】本発明の請求項４にかかる音響整合部材
は、不定形のしわを有する微小片を集合して、それぞれ
の微小片の接触面で、互いに接合する構成とした集合体
を用いる。これにより、それぞれの微小片の間に空間を
構成しやすくなるため、集合体の密度を低減することが
容易になる。

【００１７】本発明の請求項５にかかる音響整合部材の
製造方法は、複数の微小片を集合して、それぞれの微小
片の接触面で、互いに接合するように、微小片を構成す
る材料が軟化する温度まで加熱する製造手段である。そ
して軟化させる温度を調整することにより、微小片同志
の接合強さと、集合体の密度調整ができる。

【００１８】本発明の請求項６にかかる音響整合部材の
製造方法は、複数の微小片の集合体に荷重をかけて、微
小片を構成する材料が軟化する温度まで加熱するもので
ある。そして微小片にかける荷重を調整することによ
り、微小片同志の接合強さと、集合体の密度調整ができ
る。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００２０】（実施例１）図１は本発明の実施例１の音
響整合部材を構成するための集合体を示す断面図であ
る。図２は、図１に示した集合体を圧電素子に接合した
状態を示した断面図である。

【００２１】図１において、１は集合体、２は一つの微
小片である。図２において３は圧電振動子、４は音の一
つの伝播経路を示している。

【００２２】次に動作、作用について説明すると、図１
の複数の微小片２を集合させた集合体１は、それぞれの
接触面で接合している。これにより、図２に示すように
図１の集合体１を圧電振動素子３に接合すると、圧電振
動素子の振動つまり音は同図に示すような伝播経路４を
通って伝播する。この伝播経路４は、直線的でなく曲が
りくねった経路となるので、集合体１を伝播する音の速
さは、集合体を構成する微小片をつくる材料と、同じ材
料で作った同じ大きさの個体より遅くなるなることは明
らかである。さらに、図１に示す微小片を集合させた集
合体は、隙間があるので、集合体の密度は、微小片をつ
くる材料と、同じ材料で作った同じ大きさの個体よりも
軽くなることも明らかである。従って、密度×音速で表
される音響インピーダンスは小さな値とすることができ
る。

【００２３】微小片を構成する材料は、プラスチック、
金属、ガラス、セラミックなどの材料を用いることがで
きる。圧電素子３の振動周波数をν、音速をＣ、とする
と、波長λは、 λ＝Ｃ／ν で表される。音速ｃは集合体１中を伝播する音の速度で
あるが、今、仮に集合体をガラスの固まりで構成したと
すると、ガラスの音速は約５０００m/secであるので、
圧電振動素子３の振動周波数νを５００kHZとすると、
波長λは１０mmとなる。集合体を微小片１の集合で構成
すると、前述したように音速は、これより遅くなる。例
えば音速が集合体をガラスの固まりで構成した場合の１
／５（１０００m/sec）になるとすると、その時の集合
体を伝播するときの音の波長は、νを５００kHZとする
と、波長λは２mmとなる。

【００２４】集合体１の中にできる空間が、音の伝播に
影響を与えにくくするためには、その空間の大きさを伝
播する音の波長に比べて十分小さくしておく必要があ
る。この空間の大きさを、音の波長の１／１０以下の２
００μm以下にしようとすると、微小片２の長さを２０
０μm以下にしておくことが望ましい。また、集合体１
の密度を下げるためにも、微小片２の厚さは薄い方がよ
く、例えば、１μm程度の厚さのガラス板を用いること
が望ましい。

【００２５】（実施例２）図３は本発明の実施例２の音
響整合部材を構成するための集合体５を示す断面図であ
る。図３において、５は集合体、６は立体構造部分を持
った微小片である。

【００２６】本実施例２において、実施例１と異なる点
は、集合体を構成する微小片が平面的であるか、あるい
は立体的であるかの違いである。そして、微小片を立体
構造とすることにより、微小片の間に空間が作りやすく
なり、集合体の密度を低減しやすくなる。

【００２７】動作、作用については実施例１と同様であ
り、立体構造部分を持った微小片６の大きさは前述した
ことと、同様に２００μm以下であることが望ましい。

【００２８】（実施例３）図４は本発明の実施例３の音
響整合部材を構成するための集合体７を示す断面図であ
る。図５は集合体を形成する過程で荷重をかけて得られ
た集合体の断面図である。図６は設定された条件下で荷
重をかけて形成した集合体の断面図である。図４におい
て、７は集合体、８は不定形のしわ構造を持った微小片
である。本実施例３において、実施例１または２と異な
る点は、微小片がしわを持つことにより立体構造にな
り、その微小片は微小な薄板から構成されていることで
ある。

【００２９】動作、作用については実施例１と同様であ
り、構成されるしわの大きさは前述したことと、同様に
２００μm以下であることが望ましい。しわ構造を持っ
た微小片は、厚さがなるべく薄い微小な板で構成される
ことが望ましく、厚さは１μm程度が、集合体７の密度
を低減するために望ましい。

【００３０】しわ構造を持った複数の微小片８を結合さ
せるためには、例えば、しわ構造を持った微小片８を構
成する材料にガラスを用いた場合、このガラスが軟化す
る温度まで加熱することで結合させる手段を用いる。ガ
ラスが軟化する温度とすることにより、しわ構造は潰れ
ずに存在することができる。しわ構造を持った微小片８
の接触面では軟化したガラス同志が結合するようにな
る。接触面での結合を強める場合には、加熱と共に、集
合体に若干の荷重をかければ、押さえつけられることに
より結合を強めることが可能である。さらに、荷重を増
加させると、図５に示されるように、しわ構造が無くな
らない程度に押しつぶされた状態になる。この場合、そ
れぞれの微小片の接触面積が増大するとともに、荷重に
より接触面での接合強度が増大する。これにより、微小
片の接合部分を伝播する音の減衰を小さくすることがで
きる。しかしながら、密度は増大するので、音響インピ
ーダンスは大きくなることになる。

【００３１】図６は７００℃程度で軟化するガラスで作
られた、しわ構造を持った微小片を集合させて、７００
℃の温度で０．５ｋg/cm²の荷重をかけて形成して得ら
れた集合体の断面写真である。この集合体の密度は約
０．５３７g/cm³、音速は約１２２４m/sec、音響インピ
ーダンスＺ_DEVは０．６５７×１０⁶kg/m²sとなってい
る。この音響インピーダンスＺ_DVEを図７の特性図に記
号Ｚでプロットする。この値は「発明が解決しようとす
る課題」で述べた、音響インピーダンスＺ_BGとＺ _COMの
間に位置する。実際の音の透過の大きさを、比較するた
めに、図７に示すような装置にて受信用の超音波センサ
の電圧波形を測定する。図７において、９は信号源、１
０は超音波発振器、１１は試験用の音響整合部材、１２
は標準とする音響整合部材、１３は超音波受波器、１４
は抵抗である。試験用の音響整合部材１１が取りつけら
れた超音波発振器１０は送信側に用いて、受信側の超音
波受波器１３には標準とする音響整合部材１２を取りつ
け、さらに超音波受波器１３には抵抗１４を接続して、
その両端に出力される電圧を測定する。超音波発振器１
０と超音波受波器１３との距離は約１０mmとしている。
図８、図９は、このような測定手段を用いて得られた抵
抗１４の両端電圧波形と信号源９の電圧波形を示したも
ので、図８は試験用の音響整合部材１１に「発明が解決
しようとする課題」で述べた、音響インピーダンスＺ
_COMの音響整合部材を用いており、図９は試験用の音響
整合部材１１に音響インピーダンスＺ_DVEの音響整合部
材を用いてる。また、図８（ａ）、図９（ａ）は信号源
の電圧波形で両者とも同等である。図８（ｂ）、図９
（ｂ）は抵抗１４の両端電圧波形、すなわち出力波形で
ある。図８（ｂ）の振幅の最大電圧は２３mＶ、図９
（ｂ）のそれは３３mＶとなっており、音響インピーダ
ンスＺ_DVEの音響整合部材の方が勝っていることがわか
る。また、音響インピーダンスＺ_BGの音響整合部材を用
いた場合は、音響インピーダンスＺ_COMの音響整合部材
を用いた場合とほぼ同等であることから、音響インピー
ダンスＺ_DVEの音響整合部材が出力の点で、最も勝って
いることがわかる。音響インピーダンスから考えれば、
音響インピーダンスＺ_COMの音響整合部材をが最大の出
力となるべきであるが、これは音響インピーダンスＺ_BG
の音響整合部材よりも、音響インピーダンスＺ_DVEの音
響整合部材の方が音響整合部材を形成する集合体の結合
が強く、音響整合部材を伝播するときの音の減衰が小さ
いためであると考えられる。音響インピーダンスＺ_BGを
得る音響整合部材は中空球体をマトリックスに組み、そ
れぞれの中空球体の接触点で結合する構成としている
が、これでは接触する面積が小さく、それぞれの中空球
体の結合が弱いからであると考えられる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
係る音響整合部材は複数の微小片を集合させた集合体を
それぞれの接触面で接合する構成としているので、音響
整合部材を伝播する音は曲がりくねった経路を通り、集
合体を伝播する音の速さが遅くなるという効果がある。
さらに、微小片を集合させた集合体は、隙間があるの
で、集合体の密度は、微小片をつくる材料と、同じ材料
で作った同じ大きさの個体よりも軽くすることができ
る。音速の低減と密度の低減の効果で小さい音響インピ
ーダンスを実現することができる。

【００３３】また、請求項２に係る音響整合部材は、集
合体を構成する微小片に立体構造部分を有するものを用
いるため、微小片の間に空間が作りやすくなり、集合体
の密度を低減しやすくなるという効果がある。

【００３４】また、請求項３に係る音響整合部材は、複
数の微小片は振動が直線的に伝播しないように配置する
構成としているので、集合体を伝播する音の速さが遅く
なるという効果がある。

【００３５】また、請求項４に係る音響整合部材は、不
定形のしわ構造を持った微小片を集合させて接合する構
成としているので、微小片の間に空間が作りやすくな
り、集合体の密度を低減しやすくなるという効果があ
る。

【００３６】また、請求項５に係る音響整合部材は、複
数の微小片を集合して、それぞれの微小片の接触面で、
互いに接合するように、微小片を構成する材料が軟化す
る温度まで加熱するので、加熱温度の調整により微小片
同志の結合強さを調整することができるという効果があ
る。

【００３７】また、請求項６に係る音響整合部材は、微
小片の集合体に荷重をかけて，それぞれの微小片の接触
面で、互いに接合するように、微小片を構成する材料が
軟化する温度まで加熱するので、荷重の調整により微小
片同志の結合強さを調整することができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における音響整合部材を構成
する集合体の断面図

【図２】同集合体を圧電振動子に取りつけた状態を示し
た断面図

【図３】本発明の実施例２における音響整合部材を構成
する集合体の断面図

【図４】本発明の実施例３における音響整合部材を構成
する集合体の断面図

【図５】同集合体を作る加熱工程で荷重をかけて形成さ
れたときの構造を示す断面図

【図６】同集合体を定められた条件の荷重と温度のかけ
方で形成されたときの構造を示す断面顕微鏡写真

【図７】音の出力を測定する装置の構成を示した構成図

【図８】音響インピーダンスＺ_COMの音響整合部材で、
図７の装置を用いて測定したときの電圧波形図

【図９】音響インピーダンスＺ_DEVの音響整合部材で、
図７の装置を用いて測定したときの電圧波形図

【図１０】音響インピーダンスと音のエネルギーの透過
の割合を示す特性図

【図１１】従来の音響整合部材を構成する集合体の断面
図

【符号の説明】

１集合体２微小片４音の伝達経路５集合体６立体構造を持つ微小片７集合体８しわ構造を有する微小片

フロントページの続き (72)発明者長井彪大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者黄地謙三大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5D019 AA22 GG01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の微小片を集合して、それぞれの前
記微小片の接触面で、互いに接合する構成とした集合体
を用いた事を特徴とする音響整合部材。
【請求項２】微小片は立体構造部分を持つ構成とした
事を特徴とする請求項１記載の音響整合部材。
【請求項３】複数の微小片は振動が直線的に伝播しな
いように配置する構成とした事を特徴とする請求項１ま
たは２記載の音響整合部材。
【請求項４】微小片は不定形のしわを有する構成体と
した事を特徴とする請求項２記載の音響整合部材。
【請求項５】複数の微小片を集合して、それぞれの前
記微小片の接触面で、互いに接合するように、前記微小
片を構成する材料が軟化する温度まで加熱する事を特徴
とする音響整合部材の製造方法。
【請求項６】複数の微小片の集合体に荷重をかけて，
前記微小片を構成する材料が軟化する温度まで加熱する
事を特徴とする音響整合部材の製造方法。