JP2002058099A

JP2002058099A - 音響整合層の製造方法、及びそれを用いて製造された音響整合層、及びそれを用いた超音波センサ、及びそれを用いた電子装置

Info

Publication number: JP2002058099A
Application number: JP2000244291A
Authority: JP
Inventors: Taku Matsumoto; 卓松本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2002-02-22

Abstract

(57)【要約】【課題】中空球体を破壊することなく、粘度の高い音
響整合層材料を枠型に充填して音響整合層を製造するこ
と。【解決手段】音響整合層材料１００は、樹脂１０１に
中空球体１０２と気泡１０３とが混入されている。音響
整合層材料１００は、低圧容器２００の内部に配置され
た枠型３００に充填されると同時に、脱泡される第一工
程と、音響整合層材料が硬化される第二工程とが順に施
されることを特徴とする。【効果】本発明の音響整合層の製造方法は、音響整合
層材料に高い圧力が加えられず、中空球体が破壊されな
いため、圧力の調整が不要になり、生産効率がよく、製
品特性のばらつきが少なくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音響整合層の製造
方法、及びそれを用いて製造された音響整合層、及びそ
れを用いた超音波センサ、及びそれを用いた電子装置、
例えば、超音波を送受信することによりガスの流量測定
を行う超音波センサに用いる音響整合層の製造方法、及
びそれを用いて製造された音響整合層、及びそれを用い
た超音波センサ、及びそれを用いた電子装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガス流量計に用いられる超音波
センサの音響整合層には、低密度化と同時に、防水化、
耐湿化が求められる。例えば、樹脂に中空球体が混入さ
れたものを音響整合層材料として用い、それを枠型に充
填し、脱泡し、硬化して、音響整合層を製造することが
できる。このようにして製造された音響整合層を用いた
超音波センサは、中空球体が含まれているため低密度化
が図れると同時に、中空球体の周囲に樹脂が充填されて
いるため防水化、耐湿化を図ることができる。ここで、
中空球体としては、ガラスの中空球体を用いることが多
い。

【０００３】樹脂に中空球体が多量に混入された音響整
合層材料は非常に低密度になり、粘度が非常に高くな
り、枠型に流れ込み難くなる。そのため、従来の音響整
合層の製造方法の一つとして、音響整合層材料を加圧し
ながら枠型に充填する、いわゆる射出成型を用いて超音
波センサを製造する方法がある。

【０００４】次に、図７を用いて、別の従来の音響整合
層の製造方法を説明する。この製造方法の基本的な考え
方は、特開昭６３−１０３９９４号公報に開示されてい
る。

【０００５】図７において、音響整合層材料８００は、
中空球体１０２に対する樹脂１０１の割合が多くされ、
粘度が低くされている。図７に示した従来の音響整合層
の製造方法において、第一工程においては、樹脂１０１
の割合が増やされ粘度が低くされた音響整合層材料８０
０が枠型に充填された後、低圧下に置かれ、脱泡され
る。第二工程においては、遠心分離器で中空球体１０２
が多く含まれる上部層８０２と、中空球体１０２が少し
しか含まれていない下部層８０３とに分離される。そし
て、第三工程において、上部層８０２と下部層８０３と
が加熱され、硬化された後、上部層８０２が所定の厚み
に切断され音響整合層８０１が製造され、下部層８０３
が廃棄される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】射出成型を用いて超音
波センサを製造する方法では、射出成型時の圧力が高く
なると、音響整合層材料に含まれた中空球体が破壊する
おそれがある。そのため、射出成型で音響整合層を製造
する場合には、圧力が高くなって中空球体が破壊しない
ように圧力を調整する工程が必要になり、作業効率が悪
くなるという問題がある。

【０００７】また、図７に示した従来の音響整合層の製
造方法においては、第一工程乃至第三工程が必要にな
り、やはり作業効率がよくないという問題がある。

【０００８】すなわち、遠心分離機にかける工程や、上
部層８０２を低圧中に放置する工程が必要になり、作業
工程が複雑になり、製造コストが高くなるという問題が
ある。

【０００９】また、図７に示した従来の音響整合層の製
造方法においては、下部層８０３が、廃棄されるため音
響整合層８０１の製造コストが高くなるという問題があ
る。

【００１０】そこで、本発明は、中空球体を破壊するこ
となく、粘度の高い音響整合層材料を枠型に充填して音
響整合層を製造することを目的にする。

【００１１】また、本発明は、防水性、耐湿性、気密性
のある音響整合層を提供することを目的にする。

【００１２】また、本発明は、防水性、耐湿性、気密性
のある超音波センサ、及び、電子装置を提供することを
目的にする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の音響整合層の製造方法は、樹脂に中空球体
が混入された音響整合層材料を用いた音響整合層の製造
方法であって、前記樹脂に多数の前記中空球体が混入さ
れた前記音響整合層材料が、低圧状態にされた枠型に充
填されると同時に、脱泡される第一工程と、前記音響整
合層材料が硬化される第二工程とが順に施される、こと
を特徴とする。

【００１４】また、本発明の音響整合層の製造方法は、
前記音響整合層材料の硬化される前の粘度が３００Ｐａ
・ｓ乃至１０００Ｐａ・ｓである、ことを特徴とする。

【００１５】また、本発明の音響整合層の製造方法は、
第一工程において前記枠型の低圧状態が２０×１０^-2Ｔ
ｏｒｒ乃至１０^-2Ｔｏｒｒである、ことを特徴とする。

【００１６】また、本発明の音響整合層の製造方法は、
第一工程において音響整合層材料が、５０５００Ｐａ乃
至２０２０００Ｐａの圧力で枠型に充填される、ことを
特徴とする。

【００１７】また、本発明の音響整合層の製造方法は、
前記中空球体がガラスの中空球体である、ことを特徴と
する。

【００１８】また、本発明の音響整合層の製造方法は、
前記樹脂が熱硬化性樹脂である、ことを特徴とする。

【００１９】また、本発明の音響整合層の製造方法は、
前記樹脂が熱可塑性樹脂である、ことを特徴とする。

【００２０】また、本発明の音響整合層は、前記製造方
法で製造されている、ことを特徴とする。

【００２１】また、本発明の超音波センサは、前記音響
整合層と、前記音響整合層の一方主面の中央部に固着さ
れた振動子と、前記音響整合層の縁部が固着されたケー
スとを有する、ことを特徴とする。

【００２２】また、本発明の電子装置は、前記超音波セ
ンサと、前記超音波センサを駆動させるための駆動回路
と、前記超音波センサから発生する出力を検出する検出
回路とを有する、ことを特徴とする。

【００２３】このような構成の本発明の音響整合層の製
造方法においては、音響整合層材料に高い圧力が加えら
れることがなく、中空球体が破壊されないため、圧力の
調整が不要になり、生産効率がよく、製品特性のばらつ
きが少なくなる。

【００２４】また、本発明の音響整合層の製造方法にお
いては、低圧容器の内部と大気の圧力との間に、十分に
大きな気圧差が生じている。したがって、チキソ性によ
り、粘度の高い音響整合層材料が、枠型に隙間なく充填
される。

【００２５】また、本発明の音響整合層の製造方法にお
いては、枠型に予熱が加えられているため、音響整合層
材料の流動性によくなり、音響整合層材料が枠型に隙間
なく充填される。

【００２６】また、本発明の音響整合層の製造方法にお
いては、音響整合層材料が枠型に隙間なく充填されるた
め、音響整合層材料の粘度が高い場合や、枠型が複雑な
形状を有する場合であっても、音響整合層を十分な寸法
精度で、所定の形状に仕上げることができ、追加工を施
す必要がなくなる。

【００２７】また、本発明の超音波センサは、中空球体
の間に樹脂が充填され、空隙が存在しない音響整合層を
用いているため、音響整合層の防水性、耐湿性、気密性
が図れ、また、音響整合層の強度が高くなる。

【００２８】また、本発明の電子装置は、気密性、防水
性、耐湿性のある超音波センサを用いているため、引火
性のある流体又は湿気を含んだ流体の流量の測定ができ
る。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１、２を用いて、本発明の音響
整合層の製造方法の一実施例を説明する。図１は、本発
明の音響整合層を製造する装置を示す断面図であり、図
２は、図１の部分拡大図である。

【００３０】図１、２においては、低圧容器２００は、
弁２０１からその内部の空気が排出され、低圧にされて
いる。ここで、低圧とは、音響整合層材料１００を脱泡
させることができる程度であればよく、２０×１０^-2Ｔ
ｏｒｒ乃至１×１０^-2Ｔｏｒｒであることが好ましい。
金属製の枠型３００は、音響整合層材料１００を所定の
形状に成型するための型であり、低圧容器２００の内部
に配置され、予熱が加えられている。そして、低圧容器
２００には、音響整合層材料１００を注入するための注
入装置４００が挿入されている。注入装置４００の一方
側４０２は、音響整合層材料１００が満たされ、大気圧
にさらされている。ここで、音響整合層材料１００は、
エポキシ樹脂１０１に、粒径が５０乃至１００μｍのガ
ラスの中空球体１０２が混入されたものである。中空球
体１０２は、製品である音響整合層１１０の密度が０．
５×１０³ｋｇ／ｍ³となるように混合される。

【００３１】本発明の音響整合層の製造方法の第一工程
においては、注入装置４００の弁４０１が開けられ、注
入装置４００の他方側４０３から低圧状態にされた枠型
３００に音響整合層材料１００が充填される。図２
（ａ）に示したように、音響整合層材料１００には、樹
脂１０１に中空球体１０２だけでなく気泡１０３が混入
されている。そして、音響整合層材料１００は、枠型３
００へ充填されると同時に、脱泡され始め、所定の時間
が経過するとほとんど全ての気泡１０３が除去される。

【００３２】次に、第二工程においては、枠型３００に
充填され、脱泡された音響整合層材料１００が硬化さ
れ、図２（ｂ）に示した音響整合層１１０が製造され
る。

【００３３】本発明の音響整合層の製造方法の第一工程
においては、低圧容器２００の内部と大気の圧力との間
に、十分に大きな気圧差が生じている。そのため、チキ
ソ性により、樹脂１０１に多数の中空球体１０２が混入
された粘度の高い音響整合層材料１００が、枠型３００
に隙間なく充填される。また、枠型３００には予熱が加
えられているため、音響整合層材料１００の流動性が更
によくなり、音響整合層材料１００が枠型３００に隙間
なく充填される。したがって、音響整合層材料１００の
粘度が高い場合、例えば、３００Ｐａ・ｓ乃至１０００
Ｐａ・ｓである場合であっても、枠型３００が複雑な形
状を有する場合であっても、音響整合層１１０を十分な
寸法精度で、所定の形状に仕上げることができ、追加工
を施す必要がなくなる。

【００３４】また、本発明の音響整合層の製造方法の第
一工程においては、音響整合層材料１００は、枠型３０
０に充填されると同時に、脱泡され始めるため、脱泡に
要する時間を短縮することができる。また、充填と脱泡
とを同時に行うため、それぞれを別々に行う場合に比べ
て、必要な設備と工程とを減らすことができ、低コスト
な音響整合層１１０を製造することができる。

【００３５】また、低圧容器２００の内部が低圧にさ
れ、中空球体１０２が破壊する心配がないため、圧力の
調整が容易になり、生産効率がよくなり、製品特性のば
らつきが少なくなる。

【００３６】また、本発明の音響整合層１１０は、それ
ぞれ単純な工程である第一工程と、第二工程とが順に施
されて製造されるため、生産効率がよく、低コスト化が
図れる。

【００３７】また、本発明の音響整合層１１０は、中空
球体１０２の間に樹脂１０１が充填され、空隙が存在し
ないため、音響整合層１１０の防水性、耐湿性、気密性
が図れ、また、音響整合層１１０の強度が強くなる。

【００３８】なお、注入装置４００の一方側４０２の圧
力は、低圧容器２００の内部の圧力よりも高く、中空球
体１０２を破壊しない程度の圧力であればよいが、大気
圧に近い５０５００Ｐａ乃至２０２０００Ｐａであるこ
とが望ましい。また、低圧容器２００の圧力や、注入装
置４００の一方側４０２の圧力は常に一定である必要は
なく、変化するものであってもよい。また、中空球体
は、プラスチック樹脂などで構成されていてもよく、ま
た、形状は球形に限られるものではない。また、中空球
体は、粒径が５０乃至１００μｍ程度であることが望ま
しい。また、音響整合層材料１００に使用される樹脂１
０１は１液性でも２液性でもよく、フェノール樹脂等他
の熱硬化性樹脂であってもよい。また、ポリエステル等
の熱可塑性樹脂であってもよく、その場合には、音響整
合層材料１００を硬化させるために加熱する必要がな
く、硬化に要する時間を短縮することができる。また、
硬化された後の音響整合層材料の形状は、円盤状に限ら
れず、角柱状やその他の複雑な形状にすることもでき
る。

【００３９】次に、図３（ａ）、（ｂ）を用いて、本発
明の音響整合層の製造方法の別の実施例を説明する。図
３において、図１で説明した音響整合層の製造方法と同
一又は同等の部分には同じ記号を付し、説明を省略す
る。

【００４０】本発明の音響整合層の製造方法において
は、枠型３００に代えて枠型３１０を用いている。枠型
３１０は、音響整合層材料１００が充填される部分の深
さが枠型３００よりも深い。

【００４１】本発明の音響整合層の製造方法において
は、音響整合層材料１００が枠型３１０に充填され、脱
泡、硬化され、柱状の音響整合層１２０が製造される。
そして、音響整合層１２０が軸方向に垂直な方向で切断
され、所定の厚みを持った音響整合層１２０′が製造さ
れる。ここで、音響整合層１２０は、多数の中空球体１
０２が樹脂１０１で固められており、十分な強度がある
ため、音響整合層１２０を切断する際に、切断面の周辺
が欠ける等の不具合を生じ難い。

【００４２】このように、音響整合層１２０′の形状が
複雑でない場合には、柱状の音響整合層１２０を製造し
た後、所定の厚みに切断することにより、音響整合層１
２０′が効率的に製造される。

【００４３】次に、図４を用いて、本発明の音響整合層
の製造方法の更に別の実施例を説明する。図４におい
て、図１で説明した音響整合層の製造方法と同一又は同
等の部分には同じ記号を付し、説明を省略する。

【００４４】本発明の音響整合層の製造方法において
は、低圧容器２００に代えて低圧容器２２０を用いてい
る。低圧容器２２０は、低圧容器２００の機能と、枠型
３００の機能とを兼ねている。

【００４５】本発明の音響整合層の製造方法において
は、枠型を設けることなく、枠型の機能を兼ねる低圧容
器２２０に直接、音響整合層材料１００を充填している
が、図２に示した本発明の音響整合層の製造方法と同様
の作用効果を奏するものである。

【００４６】次に、図５に、本発明の超音波センサの断
面図を示す。図５において、図１の音響整合層の製造方
法で説明した部分と同一又は同等の部分には同じ記号を
付し、説明を省略する。

【００４７】図５において、本発明の超音波センサ４
は、本発明の音響整合層１１０と、振動子である圧電体
５００と、ケース６００とを有する。音響整合層１１０
は、一方主面１１１の中央部付近に圧電体５００が接合
され、一方主面１１１の縁部付近に円筒状のケース６０
０が接合されている。超音波センサ４は、圧電体５００
が振動すると、音響整合層１１０が振動し、音響整合層
１１０の他方主面１１２から超音波が送信される。ま
た、大気中の超音波により音響整合層１１０が振動し、
音響整合層１１０の一方主面１１１の圧電体５００が振
動し、超音波が受信される。なお、音響整合層１１０の
音響インピーダンスは、圧電体５００の音響インピーダ
ンスと、媒質である空気の音響インピーダンスとの中間
値になることが好ましい。そのためには、音響整合層１
１０の密度を０．４×１０³ｋｇ／ｍ³乃至０．７×１０
³ｋｇ／ｍ³程度にすることが好ましい。

【００４８】このような構成を有する本発明の超音波セ
ンサ４は、中空球体１０２の間に樹脂１０１が充填さ
れ、空隙が存在しない音響整合層１１０を用いているた
め、防水性、耐湿性、気密性を図ることができる。

【００４９】また、本発明の超音波センサ４は、製造が
容易な音響整合層１１０を用いているため、低コスト化
を図ることができる。

【００５０】次に、図６に本発明の超音波センサを用い
た電子装置の一実施例を示す。図６は本発明の電子装置
である流量計の一実施例を示すブロック図である。

【００５１】図６において、本発明の流量計５は、配管
７０１と、本発明の超音波センサ４、４′と、切替回路
７０２と、送信回路７０３と、受信回路７０４と、伝播
時間測定回路７０５と、流量演算回路７０６とを有す
る。流量計５の配管７０１には、ガスなどの引火性のあ
る流体が流れている。超音波センサ４と超音波センサ
４′とは、それぞれ対向するように、超音波センサ４が
配管７０１の上流側に配置され、超音波センサ４′が配
管７０１の下流側に配置されている。超音波センサ４と
超音波センサ４′とは、切替回路７０２に接続され、切
替回路７０２は送信回路７０３と受信回路７０４とに接
続されている。受信回路７０４は伝播時間測定回路７０
５に接続され、伝播時間測定回路７０５は流量演算回路
７０６に接続されている。そして、切替回路７０２は、
超音波センサ４を送信回路７０３に接続し超音波センサ
４′を受信回路７０４に接続する状態と、超音波センサ
４を受信回路７０４に接続し超音波センサ４′を送信回
路７０３に接続する状態とを、所定の時間間隔毎に切替
える。ここで、送信回路７０３から出力された信号は、
超音波センサ４、４′の一方から出力され、流体中を通
って、他方に入力され、受信回路７０４に入力される。
伝播時間測定回路７０５は、受信回路７０４から入力さ
れた信号を処理し、信号が流体中を伝播するのに要した
伝播時間を測定して流量演算回路７０６に出力する。そ
して、流量演算回路７０６は、信号が超音波センサ４か
ら出力された場合の伝播時間と、信号が超音波センサ
４′から出力された場合の伝播時間との差から流体の流
速、更には流量を演算して流量値を外部に出力する。

【００５２】このような構成を有する本発明の流量計５
は、気密性のある超音波センサ４を用いているため、引
火性のある流体の流量の測定ができる。

【００５３】また、本発明の流量計５は、防水性と耐湿
性のある超音波センサ４、４′を用いているため、液体
又は湿気を含んだ流体の流量の測定ができる。

【００５４】以上、流量計５を用いて、本発明の超音波
センサを用いた電子装置を説明したが、本発明の電子装
置はこの構成の流量計に限られるものではない。

【００５５】

【発明の効果】本発明の音響整合層の製造方法において
は、中空球体が破壊されないため、圧力の調整が不要に
なり、生産効率がよく、製品特性のばらつきが少なくな
る。

【００５６】また、本発明の音響整合層の製造方法にお
いては、チキソ性により、粘度の高い音響整合層材料
が、枠型に隙間なく充填される。

【００５７】また、本発明の音響整合層の製造方法にお
いては、音響整合層材料の粘度が高い場合や、枠型が複
雑な形状を有する場合であっても、音響整合層を十分な
寸法精度で、所定の形状に仕上げることができ、追加工
を施す必要がなくなる。

【００５８】また、本発明の音響整合層は、中空球体の
間に樹脂が充填され、空隙が存在しない音響整合層を用
いているため、音響整合層の防水性、耐湿性、気密性が
図れ、また、音響整合層の強度が高くなる。

【００５９】また、本発明の超音波センサは、防水性、
耐湿性、気密性のある音響整合層を用いているため、防
水性、耐湿性、気密性が図れる。

【００６０】また、本発明の電子装置は、気密性、防水
性、耐湿性のある超音波センサを用いているため、引火
性のある流体又は湿気を含んだ流体の流量の測定ができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の音響整合層の製造方法の一実施例を説
明する断面図である。

【図２】図１の部分拡大図である。

【図３】本発明の音響整合層の製造方法の別の実施例を
説明する断面図である。

【図４】本発明の音響整合層の製造方法の更に別の実施
例を説明する断面図である。

【図５】本発明の超音波センサの一実施例を示す断面図
である。

【図６】本発明の電子装置の一実施例を示すブロック図
である。

【図７】従来の音響整合層の製造方法を説明する断面図
である。

【符号の説明】

１１０、１２０、１２０′、…音響整合層１００…音響整合層材料４、４′…超音波センサ５…電子装置２００、２１０、２２０…低圧容器４００…注入装置５００…振動子６００…ケース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】樹脂に中空球体が混入された音響整合層
材料を用いた音響整合層の製造方法であって、前記樹脂に多数の前記中空球体が混入された前記音響整
合層材料が、低圧状態にされた枠型に充填されると同時
に、脱泡される第一工程と、前記音響整合層材料が硬化される第二工程とが順に施さ
れることを特徴とする音響整合層の製造方法。
【請求項２】前記音響整合層材料は、硬化される前の
粘度が３００Ｐａ・ｓ乃至１０００Ｐａ・ｓであること
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】第一工程において前記枠型の低圧状態が
２０×１０^-2Ｔｏｒｒ乃至１０^-2Ｔｏｒｒであることを
特徴とする、請求項１又は２に記載の音響整合層の製造
方法。
【請求項４】第一工程において音響整合層材料は、５
０５００Ｐａ乃至２０２０００Ｐａの圧力で枠型に充填
されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに
記載の音響整合層の製造方法。
【請求項５】前記中空球体がガラスの中空球体である
ことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の
音響整合層の製造方法。
【請求項６】前記樹脂が熱硬化性樹脂であることを特
徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の音響整合
層の製造方法。
【請求項７】前記樹脂が熱可塑性樹脂であることを特
徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の音響整合
層の製造方法。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれかに記載の音響
整合層の製造方法で製造されていることを特徴とする音
響整合層。
【請求項９】請求項８に記載の音響整合層と、前記音
響整合層の一方主面の中央部に固着された振動子と、前
記音響整合層の縁部が固着されたケースとを有すること
を特徴とする超音波センサ。
【請求項１０】請求項９に記載の超音波センサと、前
記超音波センサを駆動させるための駆動回路と、前記超
音波センサから発生する出力を検出する検出回路とを有
することを特徴とする電子装置。