JP2004184423A - Ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、音響整合層を有する超音波送受信器およびその製造方法、ならびに、当該超音波送受信器を備えた超音波流量計に関する。 The present invention relates to an ultrasonic transceiver having an acoustic matching layer, a method for manufacturing the same, and an ultrasonic flowmeter provided with the ultrasonic transceiver.
近年、流体が流れる管内における所定距離を超音波が伝達する時間を計測し、流体の移動速度を測定することにより、その移動速度に基づいて流量を決定する超音波流量計がガスメータ等に利用されつつある。 In recent years, an ultrasonic flowmeter that measures the time that an ultrasonic wave travels a predetermined distance in a pipe through which a fluid flows and measures the moving speed of the fluid to determine the flow rate based on the moving speed has been used in gas meters and the like. It is getting.
図35は、このようなタイプの超音波流量計の主要部断面構成を示している。超音波流量計は、流量を測定すべき被測定対象流体が管内を流れるように配置される。管壁102には、一対の超音波送受信器101a、101bが相対して設置されている。超音波送受信器101a、101bは、電気エネルギー/機械エネルギー変換素子として圧電セラミック等の圧電振動子を用いて構成されており、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性を示す。
FIG. 35 shows a sectional configuration of a main part of such an ultrasonic flowmeter. The ultrasonic flowmeter is arranged so that a fluid to be measured whose flow rate is to be measured flows through the pipe. On the
図35に示されている状態では、超音波送受信器101aが超音波送波器として用いられ、超音波送受信器101bが超音波受波器として用いられている。
In the state shown in FIG. 35, the
超音波送受信器101aの共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧を超音波送受信器101a内の圧電体(圧電振動子)に印加すると、超音波送受信器101aは、超音波送波器として機能し、流体中に超音波を放射する。放射された超音波は、経路L1に伝搬し、超音波送受信器101bに到達する。このとき、超音波送受信器101bは受波器として機能し、超音波を受けて電圧に変換する。
When an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the
次に、今度は超音波送受信器101bが超音波送波器として機能し、超音波送受信器101aが超音波受波器として機能する。すなわち、超音波送受信器101bの共振周波数近傍の周波数の交流電圧を超音波送受信器101b内の圧電体に印加することにより、超音波送受信器101bから流体中に超音波を放射させる。放射された超音波は、経路L2を伝搬し、超音波送受信器101aに到達する。超音波送受信器101aは伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。
Next, this time, the
このように、超音波送受信器101aおよび101bは、送波器としての機能と受波器としての機能を交互に果たすため、一般に、超音波送受信器(または超音波送受波器)と総称される。
As described above, since the
図35に示す超音波流量計では、連続的に交流電圧を印加すると超音波送受信器から連続的に超音波が放射されて伝搬時間を測定することが困難になるので、通常はパルス信号を搬送波とするバースト電圧信号を駆動電圧として用いられる。 In the ultrasonic flow meter shown in FIG. 35, if an AC voltage is continuously applied, ultrasonic waves are continuously emitted from the ultrasonic transceiver, and it becomes difficult to measure the propagation time. Is used as a drive voltage.
以下、上記超音波流量計の測定原理をより詳細に説明する。 Hereinafter, the measurement principle of the ultrasonic flowmeter will be described in more detail.
駆動用のバースト電圧信号を超音波送受信器101aに印加することにより、超音波送受信器101aから超音波バースト信号を放射すると、超音波バースト信号は経路L1を伝搬してt時間後に超音波送受信器101bに到達する。経路L1の距離は、経路L2の距離と同様にLであるとする。
When an ultrasonic burst signal is emitted from the
超音波送受信器101bは、伝達して来た超音波バースト信号のみを高いS/N比で電気バースト信号に変換することができる。この電気バースト信号を電気的に増幅して、再び、超音波送受信器101aに印加して超音波バースト信号を放射する。このような動作を行う装置を「シング・アラウンド型装置」と呼ぶ。また、超音波パルスが超音波送受信器101aから放射された後、超音波送受信器102bに到達するまでの時間を「シング・アラウンド周期」という。「シング・アラウンド周期」の逆数は「シング・アラウンド周波数」と呼ばれる。
The
図35において、管の中を流れる流体の流速をV、流体中の超音波の速度をC、流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向の角度をθとする。超音波送受信器101aを超音波送波器、超音波送受信器101bを超音波受波器として用いたときに、超音波送受信器101aから出た超音波パルスが超音波送受信器101bに到達する時間であるシング・アラウンド周期をt1、シング・アラウンド周波数f1とすれば、次式(1)が成立する。
In FIG. 35, V is the flow velocity of the fluid flowing through the pipe, C is the velocity of the ultrasonic wave in the fluid, and θ is the angle between the flowing direction of the fluid and the propagation direction of the ultrasonic pulse. When the ultrasonic transmitter /
f1=1/t1=(C+Vcosθ)/L ・・・(1) f1 = 1 / t1 = (C + Vcos θ) / L (1)
逆に、超音波送受信器101bを超音波送波器として、超音波送受信器101aを超音波受波器として用いたときのシング・アラウンド周期をt2、シング・アラウンド周波数f2とすれば、次式(2)の関係が成立する。
Conversely, when the
f2=1/t2=(C−Vcosθ)/L ・・・(2) f2 = 1 / t2 = (C-Vcos θ) / L (2)
両シング・アラウンド周波数の周波数差Δfは、次式(3)で示される。 The frequency difference Δf between both sing-around frequencies is expressed by the following equation (3).
Δf=f1−f2=2Vcosθ/L ・・・(3) Δf = f1−f2 = 2Vcosθ / L (3)
式(3)によれば、超音波の伝搬経路の距離Lと周波数差Δfとから、流体の流速Vを求めることができる。そして、その流速Vから、流量を決定することができる。 According to Equation (3), the flow velocity V of the fluid can be obtained from the distance L of the ultrasonic wave propagation path and the frequency difference Δf. Then, the flow rate can be determined from the flow velocity V.
このような超音波流量計では、高い精度が求められる。精度を高めるには、超音波送受信器内の圧電体の超音波送受信面に形成される音響整合層の音響インピーダンスが重要となる。音響整合層は、特に、超音波送受信器が気体に超音波を放射(送波)する場合、および、気体を伝搬して来た超音波を受け取る場合に重要な役割を果たす。 In such an ultrasonic flowmeter, high accuracy is required. In order to improve the accuracy, the acoustic impedance of the acoustic matching layer formed on the ultrasonic transmitting / receiving surface of the piezoelectric body in the ultrasonic transmitting / receiving device is important. The acoustic matching layer plays an important role particularly when the ultrasonic transceiver radiates (transmits) ultrasonic waves to the gas and receives ultrasonic waves transmitted through the gas.
以下、図36を参照しながら、音響整合層の役割を説明する。図36は、従来の超音波送受信器103の断面構成を示している。
Hereinafter, the role of the acoustic matching layer will be described with reference to FIG. FIG. 36 shows a cross-sectional configuration of a conventional
図示されている超音波送受信器103は、センサーケース105の内側に固定された圧電体106と、センサーケース105の外側に固定された音響整合層104とを備えている。音響整合層104は、エポキシ系の接着剤等によってセンサーケース105に接着されている。同様にして、圧電体106もセンサーケース105に接着されている。
The illustrated
圧電体106の超音波振動は、接着層を介してセンサーケース106に伝わり、更にもうひとつの接着層を介して音響整合層104に伝わる。この後、超音波振動は、音響整合層104と接する気体(超音波伝搬媒体)に音波として放射される。
The ultrasonic vibration of the
音響整合層104の役割は、圧電体の振動を効率良く気体に伝搬させることにある。以下、この点をより詳細に説明する。
The role of the
物質の音響インピーダンスZは、その物質中の音速Cと物質の密度ρを用いて、次の式(4)によって定義される。 The acoustic impedance Z of a substance is defined by the following equation (4) using the sound velocity C and the density ρ of the substance.
Z=ρ×C ・・・(4) Z = ρ × C (4)
超音波の放射対象となる気体の音響インピーダンスは、圧電体の音響インピーダンスから大きく異なっている。一般的な圧電体であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等のピエゾセラミックスの音響インピーダンスZ1は、30×106kg/m2/s程度である。これに対して、空気の音響インピーダンスZ3は400kg/m2/s程度である。 The acoustic impedance of a gas to be radiated by ultrasonic waves is significantly different from the acoustic impedance of a piezoelectric body. The acoustic impedance Z1 of piezoceramics such as PZT (lead zirconate titanate), which is a general piezoelectric material, is about 30 × 10 6 kg / m 2 / s. On the other hand, the acoustic impedance Z3 of the air is about 400 kg / m 2 / s.
音響インピーダンスが異なる物質の境界面では、音波が反射しやすく、境界面を透過する音波の強度が低下する。このため、圧電体と気体との間に、式(5)で示す音響インピーダンスZ2を持つ物質を挿入することが行われている。 At the interface between substances having different acoustic impedances, sound waves are easily reflected, and the intensity of sound waves passing through the interface decreases. For this reason, a substance having an acoustic impedance Z2 represented by Expression (5) is inserted between the piezoelectric body and the gas.
Z2=(Z1×Z3)1/2 ・・・(5) Z2 = (Z1 × Z3) 1/2 (5)
このような音響インピーダンスZ2を持つ物質を挿入すると、境界面での反射が抑えられ、音波の透過率が向上する。 When a substance having such an acoustic impedance Z2 is inserted, reflection at the boundary surface is suppressed, and the transmittance of sound waves is improved.
音響インピーダンスZ1を30×106kg/m2/s、音響インピーダンスZ3を400kg/m2/sとした場合、式(5)を満たす音響インピーダンスZ2は、11×104kg/m2/s程度となる。11×104kg/m2/sの値を持つ物質は、当然に、式(4)、すなわち、Z2=ρ×Cを満足しなければならない。このような物質を固体材料の中から見出すことは極めて難しい。その理由は、固体でありながら、密度ρが充分に小さく、かつ、音速Cが低いことが要求されるからである。 When the acoustic impedance Z1 is 30 × 10 6 kg / m 2 / s and the acoustic impedance Z3 is 400 kg / m 2 / s, the acoustic impedance Z2 satisfying the expression (5) is 11 × 10 4 kg / m 2 / s. About. Naturally, a substance having a value of 11 × 10 4 kg / m 2 / s must satisfy Expression (4), that is, Z2 = ρ × C. It is extremely difficult to find such substances from solid materials. The reason is that, while being solid, it is required that the density ρ be sufficiently small and the sound velocity C be low.
現在、音響整合層の材料としては、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料が広く用いられている。また、このような音響整合層に適した材料を作製する方法として、中空ガラス球を熱圧縮する方法や溶融材料を発泡させる方法などが、例えば特許文献1に開示されている。
At present, as a material of the acoustic matching layer, a material obtained by solidifying a glass balloon or a plastic balloon with a resin material is widely used. As a method for producing a material suitable for such an acoustic matching layer, a method of thermally compressing a hollow glass sphere, a method of foaming a molten material, and the like are disclosed in, for example,
しかし、これらの材料の音響インピーダンスは、50×104kg/m2/sより大きい値であり、式(5)を満足しているとは言い難い。高感度な超音波送受信器を得るためには、音響インピーダンスを更に小さくした材料で音響整合層を形成することが必要である。 However, the acoustic impedance of these materials is a value larger than 50 × 10 4 kg / m 2 / s, and it cannot be said that the equation (5) is satisfied. In order to obtain a highly sensitive ultrasonic transceiver, it is necessary to form the acoustic matching layer with a material whose acoustic impedance is further reduced.
このような要望に応えるため、本願出願人は、式(5)を充分に満足する音響整合材料を発明し、特願平2001−056051号の明細書に開示している。この材料は、耐久性を付与した乾燥ゲルを用いて作製され、密度ρが小さく、かつ、音速Cも低い。 In order to meet such a demand, the present applicant has invented an acoustic matching material that sufficiently satisfies the expression (5) and disclosed it in Japanese Patent Application No. 2001-056051. This material is manufactured using a dry gel having durability, and has a low density ρ and a low sound velocity C.
このような音響インピーダンスの極めて低い乾燥ゲルなどの材料から形成した音響整合層を備えた超音波送受信器は、気体との間で効率的かつ高感度で超音波の送受信を行うことができる。その結果、気体の流量を高い精度で測定することのできる装置が実現する。
しかしながら、乾燥ゲルのような音響インピーダンスが極めて低い材料は、一般に機械的強度が低い。特に、乾燥ゲルは圧縮方向の応力には比較的強いが、引張りや曲げ方向の応力に極めて弱く、弱い衝撃によっても容易に破壊されてしまう。 However, very low acoustic impedance materials, such as dried gels, generally have low mechanical strength. In particular, the dried gel is relatively strong in the stress in the compression direction, but extremely weak in the stress in the tension and bending directions, and easily broken by a weak impact.
また、このような材料は音速が非常に遅いため、最大の送受信感度を得るための適切な音響整合層の厚さ(送受信波長の約1/4)が非常に薄くなる。例えば、材料の音速が60〜400m/sであれば、500kHz程度の超音波の送受信を行う場合、音響整合層の好ましい厚さは30〜200μm程度となる。このように薄くなると、音響整合層をひとつの部材として取り扱うことが極めて困難であり、センサーケースや圧電体に対して音響整合層を接着して、超音波送受信器を作製することが殆ど不可能であるか、可能であっても製造歩留まりやコストの観点から実用化を難しくしている。 In addition, since such a material has a very low sound velocity, the thickness of the appropriate acoustic matching layer (about 1 / of the transmission / reception wavelength) for obtaining the maximum transmission / reception sensitivity is extremely thin. For example, if the sound velocity of the material is 60 to 400 m / s, the preferred thickness of the acoustic matching layer is about 30 to 200 μm when transmitting and receiving ultrasonic waves of about 500 kHz. With such a thickness, it is extremely difficult to treat the acoustic matching layer as a single member, and it is almost impossible to fabricate an ultrasonic transceiver by bonding the acoustic matching layer to a sensor case or a piezoelectric body. However, even if possible, practical application is difficult from the viewpoint of manufacturing yield and cost.
更に、音響整合層の機械的な強度が低いことにより、超音波送受信器として使用中に超音波振動自体が音響整合層の剥がれを誘発するなどして、信頼性が低下する可能性もある。 In addition, due to the low mechanical strength of the acoustic matching layer, there is a possibility that the ultrasonic vibration itself may cause peeling of the acoustic matching layer during use as an ultrasonic transmitter / receiver, so that the reliability may be reduced.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、乾燥ゲルなどの機械的強度が低く、音速の遅い材料から形成した音響整合層を備えながら、歩留まり良く製造でき、かつ信頼性の高い超音波送受信器およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a high yield while providing an acoustic matching layer formed of a material having a low mechanical strength such as a dried gel and a low sound speed. Another object of the present invention is to provide an ultrasonic transceiver having high reliability and a method of manufacturing the same.
本発明の他の目的は、上記の超音波送受信器を備えた超音波流量計を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide an ultrasonic flowmeter provided with the above-mentioned ultrasonic transceiver.
本発明の超音波送受信器は、圧電体と、前記圧電体上に設けられた音響整合層と、前記音響整合層の側面の少なくとも一部に接触し、前記圧電体に対して固定された位置に設けられている保護部とを備えている。 An ultrasonic transceiver according to an aspect of the invention includes a piezoelectric body, an acoustic matching layer provided on the piezoelectric body, and a position that is in contact with at least a part of a side surface of the acoustic matching layer and is fixed to the piezoelectric body. And a protection unit provided in the control unit.
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記圧電体の主面と同一レベルの平面から超音波放射方向に突出しており、前記圧電体の主面を基準とする前記保護部の高さが前記音響整合層の厚さを規定している。 In a preferred embodiment, the protection portion protrudes in the ultrasonic wave emitting direction from a plane at the same level as the main surface of the piezoelectric body, and the height of the protection portion with respect to the main surface of the piezoelectric body is equal to the acoustic height. It defines the thickness of the matching layer.
好ましい実施形態において、前記保護部の前記高さは、5μm以上2500μm以下である。 In a preferred embodiment, the height of the protection portion is not less than 5 μm and not more than 2500 μm.
好ましい実施形態において、前記音響整合層の厚さは、前記保護部の前記高さに略等しい。 In a preferred embodiment, the thickness of the acoustic matching layer is substantially equal to the height of the protection portion.
好ましい実施形態において、前記音響整合層の厚さは、前記圧電体によって送信および/または受信される超音波の波長の約1/4である。 In a preferred embodiment, the thickness of the acoustic matching layer is about 1 / of the wavelength of the ultrasonic wave transmitted and / or received by the piezoelectric body.
好ましい実施形態において、前記音響整合層は、密度が50kg/m3以上1000k
g/m3以下の材料から形成されている。
In a preferred embodiment, the acoustic matching layer has a density of 50 kg / m 3 or more and 1000 k.
g / m 3 or less.
好ましい実施形態において、前記音響整合層は、音響インピーダンスが2.5×103
kg/m2/s以上1.0×106kg/m2/s以下の材料から形成されている。
In a preferred embodiment, the acoustic matching layer has an acoustic impedance of 2.5 × 10 3.
It is formed from a material of not less than kg / m 2 / s and not more than 1.0 × 10 6 kg / m 2 / s.
好ましい実施形態において、前記音響整合層は、無機系材料から形成されている。 In a preferred embodiment, the acoustic matching layer is formed from an inorganic material.
好ましい実施形態において、前記無機系材料は、無機酸化物の乾燥ゲルである。 In a preferred embodiment, the inorganic material is a dried gel of an inorganic oxide.
好ましい実施形態において、前記無機酸化物は、撥水化された固体骨格部を有している。 In a preferred embodiment, the inorganic oxide has a water-repellent solid skeleton.
好ましい実施形態において、前記音響整合層は、前記保護部が設けられた前記圧電体上で流動性状態から固体化されたものである。 In a preferred embodiment, the acoustic matching layer is solidified from a fluid state on the piezoelectric body provided with the protection portion.
好ましい実施形態において、前記圧電体の主面と前記音響整合層との間に設けられた下層音響整合層を備えており、前記保護部は、前記下層音響整合層の主面から突出しており、前記音響整合層の主面を基準とする前記保護部の高さが最上層に位置する前記音響整合層の厚さを規定している。 In a preferred embodiment, the piezoelectric device further includes a lower acoustic matching layer provided between the main surface of the piezoelectric body and the acoustic matching layer, and the protection unit protrudes from the main surface of the lower acoustic matching layer. The height of the protection portion with respect to the main surface of the acoustic matching layer defines the thickness of the acoustic matching layer positioned at the uppermost layer.
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記下層音響整合層の一部によって構成され、前記下層音響整合層と一体化している。 In a preferred embodiment, the protection section is constituted by a part of the lower acoustic matching layer, and is integrated with the lower acoustic matching layer.
好ましい実施形態において、前記保護部の前記高さは、5μm以上2500μm以下である。 In a preferred embodiment, the height of the protection portion is not less than 5 μm and not more than 2500 μm.
好ましい実施形態において、前記保護部の前記高さは、最上層に位置する前記音響整合層の厚さに略等しい。 In a preferred embodiment, the height of the protection section is substantially equal to the thickness of the acoustic matching layer located on the uppermost layer.
好ましい実施形態において、前記音響整合層および前記下層音響整合層は、それぞれ、前記圧電体によって送受信される超音波の波長の約1/4の厚さを有している。 In a preferred embodiment, each of the acoustic matching layer and the lower acoustic matching layer has a thickness of about 4 of a wavelength of an ultrasonic wave transmitted and received by the piezoelectric body.
好ましい実施形態において、前記第響整合層の密度は、50kg/m3以上1000k
g/m3以下である。
In a preferred embodiment, the density of the first acoustic matching layer is not less than 50 kg / m 3 and not more than 1000 k.
g / m 3 or less.
好ましい実施形態において、前記下層音響整合層の音響インピーダンスは、前記音響整合層の音響インピーダンスよりも大きく、2.5×103kg/m2/s以上3.0×107kg/m2/s以下である。 In a preferred embodiment, the acoustic impedance of the lower acoustic matching layer is larger than the acoustic impedance of the acoustic matching layer, and is not less than 2.5 × 10 3 kg / m 2 / s and 3.0 × 10 7 kg / m 2 / s. s or less.
好ましい実施形態において、前記保護部は最上層に位置する前記音響整合層の外周に存在している。 In a preferred embodiment, the protection portion exists on the outer periphery of the acoustic matching layer located on the uppermost layer.
好ましい実施形態において、前記保護部は最上層に位置する前記音響整合層の外周側面の全体を覆っている。 In a preferred embodiment, the protection portion covers the entire outer peripheral side surface of the acoustic matching layer located on the uppermost layer.
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記圧電体の主面の外側に配置されている。 In a preferred embodiment, the protection portion is disposed outside a main surface of the piezoelectric body.
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記圧電体の主面上に設けられている。 In a preferred embodiment, the protection section is provided on a main surface of the piezoelectric body.
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記下層音響整合層上に設けられている。 In a preferred embodiment, the protection section is provided on the lower acoustic matching layer.
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記下層音響整合層の一部によって構成され、前記下層音響整合層と一体化している。 In a preferred embodiment, the protection section is constituted by a part of the lower acoustic matching layer, and is integrated with the lower acoustic matching layer.
好ましい実施形態において、前記圧電体を支持する構造支持体を更に備えている。 In a preferred embodiment, the apparatus further comprises a structural support for supporting the piezoelectric body.
好ましい実施形態において、前記圧電体を支持する構造支持体を更に備えており、前記保護部が前記構造支持体上に設けられている。 In a preferred embodiment, the apparatus further comprises a structural support for supporting the piezoelectric body, and the protection portion is provided on the structural support.
好ましい実施形態において、前記構造支持体はプレス成形された金属から形成されており、前記保護部は、前記構造支持体のプレス成形により折り曲げられた部分によって構成されている。 In a preferred embodiment, the structural support is formed from a press-formed metal, and the protection portion is configured by a portion of the structural support that is bent by press forming.
好ましい実施形態において、前記保護部の前記高さは、5μm以上2500μm以下である。 In a preferred embodiment, the height of the protection portion is not less than 5 μm and not more than 2500 μm.
好ましい実施形態において、前記音響整合層の厚さは、前記保護部の前記高さに略等しい。 In a preferred embodiment, the thickness of the acoustic matching layer is substantially equal to the height of the protection portion.
好ましい実施形態において、前記音響整合層の厚さは、前記圧電体によって送受信される超音波の波長の約1/4である。 In a preferred embodiment, the thickness of the acoustic matching layer is about 1 / of the wavelength of the ultrasonic wave transmitted and received by the piezoelectric body.
好ましい実施形態において、前記音響整合層の密度は、50kg/m3以上1000k
g/m3以下である。
In a preferred embodiment, the density of the acoustic matching layer is 50 kg / m 3 or more and 1000 k.
g / m 3 or less.
前記音響整合層の音響インピーダンスは、2.5×103kg/m2/s以上1.0×106kg/m2/s以下である。 The acoustic impedance of the acoustic matching layer is from 2.5 × 10 3 kg / m 2 / s to 1.0 × 10 6 kg / m 2 / s.
好ましい実施形態において、前記圧電体の背面に配置された背面負荷材を更に備えており、前記保護部材は前記背面負荷材上に設けられている。 In a preferred embodiment, the piezoelectric device further includes a back load member disposed on a back surface of the piezoelectric body, and the protection member is provided on the back load member.
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記背面負荷材の一部によって構成されており、前記背面負荷材と一体化している。 In a preferred embodiment, the protection portion is constituted by a part of the back load member, and is integrated with the back load member.
好ましい実施形態において、前記音響整合層が前記保持部と接触する面の少なくとも一部は、水酸基を付与する表面処理を受けている。 In a preferred embodiment, at least a part of a surface of the acoustic matching layer in contact with the holding portion has been subjected to a surface treatment for imparting a hydroxyl group.
好ましい実施形態において、前記音響整合層が前記保持部と接触する面の少なくとも一部は、粗面化処理を受けている。 In a preferred embodiment, at least a part of a surface where the acoustic matching layer contacts the holding portion has been subjected to a surface roughening treatment.
好ましい実施形態において、前記音響整合層が前記保持部と接触する面の少なくとも一部は、多孔質である。 In a preferred embodiment, at least a part of a surface where the acoustic matching layer contacts the holding portion is porous.
好ましい実施形態において、超音波送受信器のうち前記音響整合層が接触している部分には、前記音響整合層の一部が浸透し、一体化している。 In a preferred embodiment, a part of the acoustic matching layer of the ultrasonic transceiver that is in contact with the acoustic matching layer penetrates and is integrated.
本発明の他の超音波送受信器は、超音波振動を行う圧電体と、密度が50kg/m3以
上1000kg/m3以下で、かつ、音響インピーダンスが2.5×103kg/m2/s
以上1.0×106kg/m2/s以下の材料から形成された上層音響整合層と、前記圧電体と前記上層音響整合層との間に設けられた下層音響整合層と、前記下層音響整合層および前記圧電体を支持し、前記圧電体を超音波伝搬流体から遮蔽する構造支持体とを備えた超音波送受信器であって、前記上層音響整合層の側面の少なくとも一部に接触する保護部を備えている。
Another ultrasonic transceiver according to the present invention includes a piezoelectric body that performs ultrasonic vibration, a density of 50 kg / m 3 or more and 1000 kg / m 3 or less, and an acoustic impedance of 2.5 × 10 3 kg / m 2 /. s
An upper acoustic matching layer formed of a material of 1.0 × 10 6 kg / m 2 / s or less; a lower acoustic matching layer provided between the piezoelectric body and the upper acoustic matching layer; An acoustic matching layer and a structural support that supports the piezoelectric body and shields the piezoelectric body from an ultrasonic wave propagating fluid, wherein the ultrasonic transceiver contacts at least a part of a side surface of the upper acoustic matching layer. It has a protection unit.
前記保護部は、前記下層音響整合層の一部によって形成されており、前記下層音響整合層と一体化している。 The protection part is formed by a part of the lower acoustic matching layer, and is integrated with the lower acoustic matching layer.
好ましい実施形態において、前記保護部の弾性率は、前記音響整合層の弾性率に略等しい。 In a preferred embodiment, the elastic modulus of the protection part is substantially equal to the elastic modulus of the acoustic matching layer.
本発明の超音波流量計は、被測定流体が流れる流量測定部と、前記流量測定部に設けられ、超音波信号を送受信する一対の超音波送受信器と、前記一対の超音波送受信器の間を超音波が伝搬する時間を計測する計測手段と、前記計測手段からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計であって、前記一対の超音波送受信器の各々が上記いずれかの超音波送受信器である。 An ultrasonic flow meter according to the present invention is configured such that a flow measurement unit through which a fluid to be measured flows, a pair of ultrasonic transceivers provided in the flow measurement unit, for transmitting and receiving ultrasonic signals, and a pair of the ultrasonic transceivers. A measuring means for measuring the time that the ultrasonic wave propagates, and an ultrasonic flow meter comprising a flow rate calculating means for calculating a flow rate based on a signal from the measuring means, wherein the pair of ultrasonic transceivers Each is any one of the ultrasonic transceivers described above.
好ましい実施形態において、前記超音波送受信器の圧電体は、前記被測定流体から遮蔽されている。 In a preferred embodiment, the piezoelectric body of the ultrasonic transceiver is shielded from the fluid to be measured.
本発明の装置は、上記いずれかの超音波送受信器を備えていることを特徴とする。 An apparatus according to the present invention includes any one of the above-described ultrasonic transceivers.
本発明による超音波送受信器の製造方法は、主面と、前記主面上に受けられた凸部とを有する圧電体を用意する工程(a)と、前記圧電体の主面上に音響整合層を形成し、前記音響整合層の側面の少なくとも一部を前記凸部の側面に接触させる工程(b)とを含んでいる。 According to a method of manufacturing an ultrasonic transceiver according to the present invention, there is provided a step (a) of preparing a piezoelectric body having a main surface and a convex portion received on the main surface, and acoustic matching on the main surface of the piezoelectric body. Forming a layer and contacting at least a part of the side surface of the acoustic matching layer with the side surface of the projection.
好ましい実施形態において、前記工程(b)は、ゲル原料を前記圧電体素子の主面上に供給する工程と、前記ゲル原料を乾燥させ、固化することによって前記音響整合層を形成する工程とを含んでいる。 In a preferred embodiment, the step (b) includes a step of supplying a gel raw material on the main surface of the piezoelectric element, and a step of forming the acoustic matching layer by drying and solidifying the gel raw material. Contains.
好ましい実施形態において、前記工程(a)は、圧電体の表面を加工し、前記主面および凸部を形成する工程を含んでいる。 In a preferred embodiment, the step (a) includes a step of processing the surface of the piezoelectric body to form the main surface and the projection.
好ましい実施形態において、前記工程(a)は、圧電体の表面に前記凸部を固着する工
程を含んでいる。
In a preferred embodiment, the step (a) includes a step of fixing the projection on the surface of the piezoelectric body.
好ましい実施形態において、前記工程(a)は、圧電体を構造支持体に固着する工程を含んでいる。 In a preferred embodiment, the step (a) includes a step of fixing the piezoelectric body to the structural support.
本発明の超音波送受信器の製造方法は、上層音響整合層、圧電体、および、前記上層音響整合層と前記圧電体との間に設けられた下層音響整合層を備えた超音波送受信器を製造する方法であって、凹部を有し、前記下層音響整合層として機能することになる部材を用意する工程(a)と、前記部材の凹部に、ゲル原料を供給する工程(b)と、前記ゲル原料を乾燥させ、固化することによって前記上層音響整合層を形成する工程(c)とを含んでいる。 The method of manufacturing an ultrasonic transceiver according to the present invention includes an ultrasonic transceiver including an upper acoustic matching layer, a piezoelectric body, and a lower acoustic matching layer provided between the upper acoustic matching layer and the piezoelectric body. A method of preparing a member having a recess and functioning as the lower acoustic matching layer (a); and supplying a gel material to the recess of the member (b). (C) forming the upper acoustic matching layer by drying and solidifying the gel raw material.
好ましい実施形態において、前記工程(b)は、前記部材に前記ゲル原料を浸透させる工程を含んでいる。 In a preferred embodiment, the step (b) includes a step of permeating the gel material into the member.
好ましい実施形態において、前記ゲル原料は前記部材の全体に浸透させられる。 In a preferred embodiment, the gel raw material is permeated throughout the member.
好ましい実施形態において、前記工程(b)は、前記部材と前記圧電体との配置関係を固定した後に行う。前記工程(b)は、前記部材と前記圧電体との配置関係を固定する前に行ってもよい。 In a preferred embodiment, the step (b) is performed after the positional relationship between the member and the piezoelectric body is fixed. The step (b) may be performed before fixing the arrangement relationship between the member and the piezoelectric body.
本発明の超音波送受信器は、圧電体と、前記圧電体上に設けられた音響整合層と、前記音響整合層の外周面に接するように配置された保護部とを備えている。 An ultrasonic transmitter / receiver according to the present invention includes a piezoelectric body, an acoustic matching layer provided on the piezoelectric body, and a protection unit arranged to be in contact with an outer peripheral surface of the acoustic matching layer.
本発明の超音波送受信器は、構造支持体と、前記構造支持体を挟んで対抗する位置に設けられた圧電体および音響整合層と、前記音響整合層の外周面に接するように配置された保護部とを備えている。 The ultrasonic transceiver of the present invention is arranged so as to be in contact with a structural support, a piezoelectric body and an acoustic matching layer provided at positions opposed to each other with the structural support interposed therebetween, and an outer peripheral surface of the acoustic matching layer. And a protection unit.
本発明の更に他の超音波送受波器は、超音波の送波および/または受波を行う主面を有する圧電体と、前記圧電体の主面上に設けられた音響整合部材とを備えた超音波送受波器であって、前記音響整合部材は、第1音響整合部分と、前記第1音響整合部分の平均密度よりも低い平均密度を有する第2音響整合部分とを有しており、前記第1音響整合部分は、前記第2音響整合部分の側面と接触している。 Still another ultrasonic transducer of the present invention includes a piezoelectric body having a main surface for transmitting and / or receiving ultrasonic waves, and an acoustic matching member provided on the main surface of the piezoelectric body. Wherein the acoustic matching member has a first acoustic matching portion and a second acoustic matching portion having an average density lower than the average density of the first acoustic matching portion. The first acoustic matching portion is in contact with a side surface of the second acoustic matching portion.
好ましい実施形態において、前記第1音響整合部は、前記第2音響整合部よりも厚く、前記圧電体の主面から放射され前記第2音響整合部分を透過して前記第1音響整合部分の上面と同一レベルの位置に到達した超音波の位相と、前記主面から放射され前記第1音響整合部分を透過して前記第1音響整合部分の上面に到達した超音波の位相とが略一致している。 In a preferred embodiment, the first acoustic matching section is thicker than the second acoustic matching section, and is radiated from a main surface of the piezoelectric body, passes through the second acoustic matching section, and has an upper surface of the first acoustic matching section. And the phase of the ultrasonic wave arriving at the same level as that of the ultrasonic wave radiated from the main surface and transmitted through the first acoustic matching portion and reaching the upper surface of the first acoustic matching portion substantially coincides with each other. ing.
好ましい実施形態において、前記第1音響整合部分における超音波の波長をλ1としたとき、前記第1音響整合部分の厚さはk1・λ1の大きさ(k1は1/8以上1/3以下)を有し、かつ前記第21音響整合部分の厚さとは異なっている。 In a preferred embodiment, when the wavelength of the ultrasonic wave in the first acoustic matching portion is λ1, the thickness of the first acoustic matching portion is k1 · λ1 (k1 is 8 or more and 3 or less). And is different from the thickness of the 21st acoustic matching portion.
好ましい実施形態において、前記第2音響整合部分は、N層の音響整合層(Nは1以上の整数)から構成されており、N層の音響整合層の各々は、各音響整合層における前記超音波の波長のk2倍の大きさ(k2は1/8以上1/3以下)を有している。 In a preferred embodiment, the second acoustic matching portion is composed of N acoustic matching layers (N is an integer of 1 or more), and each of the N acoustic matching layers includes the supersonic wave in each acoustic matching layer. It has a size of k2 times the wavelength of the sound wave (k2 is 1/8 or more and 1/3 or less).
好ましい実施形態において、前記第2音響整合部分の最外層に位置する音響整合層の厚さは、前記第2音響整合部分の最外層に位置する音響整合層における超音波の波長の約1/4である。 In a preferred embodiment, the thickness of the acoustic matching layer located on the outermost layer of the second acoustic matching portion is about 1 / of the wavelength of the ultrasonic wave in the acoustic matching layer located on the outermost layer of the second acoustic matching portion. It is.
好ましい実施形態において、前記第2音響整合部分のうち、前記圧電体の主面に最も近い位置に形成されている音響整合層は、前記第1音響整合部分の材料と同じ材料から構成されている。 In a preferred embodiment, of the second acoustic matching portion, an acoustic matching layer formed at a position closest to a main surface of the piezoelectric body is made of the same material as the material of the first acoustic matching portion. .
好ましい実施形態において、前記第2音響整合部分のうち、前記圧電体の主面に最も近い位置に形成されている音響整合層は、前記第1音響整合部分と一体的に形成されている。 In a preferred embodiment, of the second acoustic matching portion, an acoustic matching layer formed at a position closest to a main surface of the piezoelectric body is formed integrally with the first acoustic matching portion.
好ましい実施形態において、前記第2音響整合部分に含まれる少なくとも1層の音響整合層は、乾燥ゲルから形成されている。 In a preferred embodiment, at least one acoustic matching layer included in the second acoustic matching portion is formed from a dry gel.
好ましい実施形態において、前記乾燥ゲルは、無機系材料からなる。 In a preferred embodiment, the dried gel is made of an inorganic material.
好ましい実施形態において、前記乾燥ゲルは、撥水化された固体骨格部を有している。 In a preferred embodiment, the dry gel has a water-repellent solid skeleton.
好ましい実施形態において、音波送受波器を構成する部材のうち、前記音響整合部分に接する面の少なくとも一部が、粗面または多孔質である。 In a preferred embodiment, at least a part of a surface of the member constituting the sound wave transducer that contacts the acoustic matching portion is a rough surface or a porous surface.
好ましい実施形態において、超音波送受波器を構成する部材のうち、前記第2音響整合部分に接する面の少なくとも一部において、前記第2音響整合部分の一部が前記部材に浸透一体化している。 In a preferred embodiment, of the members constituting the ultrasonic transducer, at least a part of a surface in contact with the second acoustic matching portion, a part of the second acoustic matching portion is penetrated and integrated with the member. .
好ましい実施形態において、前記第2音響整合部分の少なくとも一部は乾燥ゲルから形成されており、前記第1音響整合部分は前記乾燥ゲルよりも機械的強度の高い材料から形成されている。 In a preferred embodiment, at least a part of the second acoustic matching portion is formed of a dry gel, and the first acoustic matching portion is formed of a material having higher mechanical strength than the dry gel.
好ましい実施形態において、前記第1音響整合部分の少なくとも一部は、多孔質セラミックスから形成されている。 In a preferred embodiment, at least a part of the first acoustic matching portion is formed of a porous ceramic.
好ましい実施形態において、前記第1音響整合部分の厚さは、前記圧電体の主面における位置に応じて変化している。 In a preferred embodiment, a thickness of the first acoustic matching portion changes according to a position on a main surface of the piezoelectric body.
好ましい実施形態において、前記第2音響整合部分の厚さは、前記圧電体の主面における位置に応じて変化している。 In a preferred embodiment, a thickness of the second acoustic matching portion changes according to a position on the main surface of the piezoelectric body.
本発明の超音波流量計は、被測定流体が流れる流量測定部と、前記流量測定部に設けられ、超音波信号を送受波する一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器の間を超音波が伝搬する時間を計測する計測部と、前記計測部からの信号に基づいて流量を算出する流量演算部とを備えた超音波流量計であって、前記一対の超音波送受波器の各々が、上記いずれかの超音波送受波器である。 An ultrasonic flowmeter according to the present invention includes a flow measurement unit through which a fluid to be measured flows, a pair of ultrasonic transducers provided in the flow measurement unit, for transmitting and receiving an ultrasonic signal, and the pair of ultrasonic transmission and reception. A measuring unit that measures the time that the ultrasonic wave propagates between the vessels, and an ultrasonic flow meter that includes a flow rate calculating unit that calculates a flow rate based on a signal from the measuring unit, wherein the pair of ultrasonic waves Each of the transducers is any one of the ultrasonic transducers described above.
好ましい実施形態において、前記超音波送受波器の圧電体は、前記被測定流体から遮蔽されている。 In a preferred embodiment, a piezoelectric body of the ultrasonic transducer is shielded from the fluid to be measured.
好ましい実施形態において、前記被測定流体は、気体である。 In a preferred embodiment, the fluid to be measured is a gas.
本発明の装置は、上記いずれかの超音波送受波器を備えている。 The device of the present invention includes any one of the above-described ultrasonic transducers.
本発明の超音波送受波器の製造方法は、(a)第1の面および前記第1の面とは反対側の第2の面を有し、前記第1および第2の面に電極が形成された圧電体を用意する工程と、(b)前記圧電体における前記第1および第2の面の少なくとも一方の側に第2音響整合部分を形成する工程と、(c)前記圧電体と前記第2音響整合部分とによって形成された空間内にゲル原料を供給する工程と、(d)前記ゲル原料液をゲル化させて湿潤ゲルを得る工程と、(e)得られた湿潤ゲルを乾燥させる工程とを含む。 The method of manufacturing an ultrasonic transducer according to the present invention includes: (a) a first surface and a second surface opposite to the first surface, wherein electrodes are provided on the first and second surfaces. Providing a formed piezoelectric body; (b) forming a second acoustic matching portion on at least one of the first and second surfaces of the piezoelectric body; and (c) forming the piezoelectric body. A step of supplying a gel raw material into a space formed by the second acoustic matching portion; (d) a step of gelling the gel raw material liquid to obtain a wet gel; Drying.
好ましい実施形態において、前記工程(c)は、(c1)前記空間内に第1のゲル原料を供給する工程と、(c2)前記第1のゲル原料液をゲル化させて第1の湿潤ゲル層を形成する工程と、(c3)前記第1の湿潤ゲル層の上に第2のゲル原料を供給する工程と、(c4)前記第2のゲル原料液をゲル化させて第2の湿潤ゲル層を形成する工程とを含み、前記工程(e)は、前記第1および第2の湿潤ゲル層を乾燥させることにより、前記第1および第2の湿潤ゲル層から、それぞれ、第1音響整合層および第2音響整合層を形成する工程とを含む。 In a preferred embodiment, the step (c) includes: (c1) a step of supplying a first gel raw material into the space; and (c2) a step of gelling the first gel raw material liquid to form a first wet gel. Forming a layer, (c3) supplying a second gel material on the first wet gel layer, and (c4) gelling the second gel material liquid to form a second wet material. Forming a gel layer, wherein the step (e) comprises drying the first and second wet gel layers to form first and second sound gels from the first and second wet gel layers, respectively. Forming a matching layer and a second acoustic matching layer.
好ましい実施形態において、前記工程(c4)において、前記第1音響整合層の音響インピーダンスを変化させるように前記第1の湿潤ゲル層を改質する。 In a preferred embodiment, in the step (c4), the first wet gel layer is modified so as to change an acoustic impedance of the first acoustic matching layer.
本発明の超音波送受波器は、超音波の送波および/または受波を行う主面を有する圧電体と、前記圧電体の主面上に設けられた音響整合部材とを備えた超音波送受波器であって、前記音響整合部材は、第1音響整合部分と、前記第1音響整合部分の機械強度よりも低い機械強度を有する第2音響整合部分とを有しており、前記第1音響整合部分は、前記第2音響整合部分の側面と接触している。 An ultrasonic wave transmitter / receiver according to the present invention includes an ultrasonic wave including: a piezoelectric body having a main surface for transmitting and / or receiving ultrasonic waves; and an acoustic matching member provided on the main surface of the piezoelectric body. A transducer, wherein the acoustic matching member has a first acoustic matching portion and a second acoustic matching portion having a mechanical strength lower than a mechanical strength of the first acoustic matching portion; The one acoustic matching part is in contact with the side surface of the second acoustic matching part.
本発明によれば、音響インピーダンスが極めて低く、機械的強度の小さな材料から形成した薄い音響整合層を用いた高性能の超音波送受信器を実用化することが可能になる。使用時における信頼性も向上する。本発明の第1の態様では、音響整合層を保護するともに、音響整合層の厚さを規定するためにも利用可能な保護部を設けているため、機械的強度が低く、薄い音響整合層を高い精度で再現性良く形成することができる。その結果、広帯域の超音波を高感度で送受信できる信頼性の高い超音波送受波器が提供される。また、本発明の第2の態様では、音響整合層としても機能する保護部(保護部兼音響整合層=保護整合層)を圧電体の主面に内の任意の位置に設けることができる。2種類の音響整合層の音速および厚さを調節することにより、厚さの異なる2種類の音響整合層から放射される超音波の位相を揃え、超音波の送受信感度を高めることが可能になる。 According to the present invention, a high-performance ultrasonic transceiver using a thin acoustic matching layer formed of a material having extremely low acoustic impedance and low mechanical strength can be put to practical use. Reliability in use is also improved. According to the first aspect of the present invention, since the protection portion that protects the acoustic matching layer and can be used to regulate the thickness of the acoustic matching layer is provided, the mechanical strength is low and the acoustic matching layer is thin. Can be formed with high accuracy and high reproducibility. As a result, a highly reliable ultrasonic transducer capable of transmitting and receiving a wideband ultrasonic wave with high sensitivity is provided. Further, in the second aspect of the present invention, a protective portion (protective portion and acoustic matching layer = protective matching layer) that also functions as an acoustic matching layer can be provided at an arbitrary position on the main surface of the piezoelectric body. By adjusting the sound speed and the thickness of the two types of acoustic matching layers, the phases of the ultrasonic waves radiated from the two types of acoustic matching layers having different thicknesses can be aligned, and the transmission / reception sensitivity of the ultrasonic waves can be increased. .
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は、本発明の第1の実施形態における超音波送受信器(超音波振動子)の一断面を示している。図示されている超音波送受信器1は、圧電体4と、圧電体4上に設けられた音響整合層3と、圧電体4に対して固定された保護部2とを備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a cross section of an ultrasonic transceiver (ultrasonic transducer) according to the first embodiment of the present invention. The illustrated
圧電体4は、圧電性を有する材料から形成され、厚さ方向に分極されている。圧電体4の上下面には、不図示の電極が形成され、電極に印加される信号に基づいて超音波を放射する。また、超音波を受けた場合は、電極間に電圧信号を発生させる。本発明では、圧電体4の材料は任意であり、公知のものを用いることができる。
The
圧電体4の主面(超音波送受波面)S1を基準とする保護部2の高さHは音響整合層3の厚さを規定しており、好ましい態様では、保護部2の高さは音響整合相層3の厚さに略等しい。
The height H of the
図2は、図1の超音波送受信器1の上面を示している。図2からわかるように、本実施形態の超音波送受信器1では、リング状の保護部2が音響整合層3を取り囲み、音響整合層3の外周面(側面)の全体が保護部2の内周面と接触している。このような保護部2を圧電体4の上面に設けることにより、圧電体4から音響整合層3が剥離しにくくなり、また、音響整合層3の破損を防止することができる。その結果、超音波送受信器1の製造段階および使用段階における信頼性が著しく向上する。
FIG. 2 shows an upper surface of the
なお、のちに述べる製造方法によれば、保護部2の高さHを調節することによって音響整合層3の厚さを高精度で制御することができる。そのため、音響整合層3を高い精度で安定的に形成することができるので、品質に優れた超音波送受信器を歩留りよく製造することが可能となる。音響整合層3の厚さが素子ごとにばらつくと、超音波送受信器の特性(感度など)が変動するため、所定の厚さを有する音響整合層3を再現性良く形成することが重要である。前述したように、最大の送受信感度を得るための適切な音響整合層の厚さは、送受信する超音波の波長の約1/4である。このため、音速が約280m/sの乾燥ゲルを音響整合層に用いて500kHz程度の超音波の送受信を行う場合は、乾燥ゲルの音響整合層の好ましい厚さを140μm程度に設定する必要がある。この厚さが10%程度異なると、送受信感度は20%程度変動するおそれがある。このように音響整合層3の厚さが僅かに変化するだけで、送受信感度が大きく変動するが、本実施形態によれば、所望の厚さを有する音響整合層3が再現性良く形成されている。
According to the manufacturing method described later, the thickness of the
本実施形態の超音波送受信器1は、例えば、以下のようにして製造される。
The
まず、送受信する超音波の波長に合わせた圧電体4を用意する。圧電体4としては、圧電セラミックスや圧電単結晶など圧電性の高い材料が好ましい。圧電セラミックスとしては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛などを用いることができる。また圧電単結晶としては、チタン酸ジルコン酸鉛単結晶、ニオブ酸リチウム、水晶などを用いることができる。
First, a
本実施形態では、圧電体4としてチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスを用い、送受信する超音波の周波数を500kHzに設定している。このような超音波を圧電体4が効率よく送受信できるようにするため、素子の共振周波数を500kHzに設計する。このため、本実施形態では、直径が12mm、厚さが約3mmの円柱形状を有する圧電セラミックスから形成された圧電体4を用いている。
In the present embodiment, the
このような圧電体4に対して、外径12mm、内径11mm、厚さ140μmのリング状保護部2を接合する。本実施形態では、保護部2として、ステンレス製の金属リングを用いている。ステンレス性の保護部2と圧電体4との接合は、接着剤による接着によって行うことができる。例えば、接着剤としてエポキシ系樹脂を用い、0.2MPaの圧力をかけながら、150℃の恒温槽中で、2時間放置して硬化させればよい。
The ring-shaped
本実施形態では、乾燥ゲルから音響整合層3を形成する。乾燥ゲルから形成した音響整合層3の音速は約280m/sであるため、音響整合層3における超音波の波長は約640μmである。このため、音響整合層3の厚さを、音響整合層3における超音波波長の約1/4に等しくなるように、140μmに設定している。この厚さの音響整合層3を形成するため、本実施形態では、保護部2の厚さを140μmに設定している。
In the present embodiment, the
保護部2の役割は、まず第1に、超音波送受信器1の製造段階や使用段階における外部から受ける機械的な衝撃または熱的な衝撃から、音響整合層3を保護することにある。第2に、超音波送受信器1としての動作(使用)時に、送受信する超音波の振動から超音波送受信器1を保護することも重要な役割である。
First, the role of the
音響整合層3が、その役割を果たすためには、圧電体4と音響整合層3とが密着していることが極めて重要である。圧電体4と音響整合層3との間に僅かでも剥離が生じると、音響整合層3としての役割を果たすことができなくなる。
In order for the
本願発明者は、圧電体4と音響整合層3との密着性を保持するためには、図2に示すように、音響整合層3の外周部分に保護部2を設けた構造が極めて有効であることを見いだした。保護部2が無い場合には、超音波送受信器1の製造時や使用時に大幅な特性劣化が進行し、高性能の超音波送受信器1を実用化することができなくなる可能性がある。
In order to maintain the adhesion between the
本実施形態の音響整合層3は、密度ρと音速Cとの積(ρ×C)で規定される音響インピーダンスが極めて小さい材料から形成される。このため、空気などの気体に対する超音波の送受信効率を極めて高くすることができる。音響インピーダンスが極めて小さい材料として、本実施形態では、前述したように乾燥ゲルを用いている。
The
音響整合層3を乾燥ゲルから形成することにより、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた従来材料から音響整合層を形成した場合に比較して、気体と圧電体との間の音響整合が極めて良くなるため、超音波送受信効率を格段に向上させることができる。
By forming the
本明細書における「乾燥ゲル」とは、ゾルゲル反応によって形成される多孔質体であって、ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部が、溶媒を含んで構成された湿潤ゲルを経て、乾燥して溶媒除去することで形成されたものである。この乾燥ゲルは、ナノメートルサイズの固体骨格部によって平均細孔直径が数nmから数μm程度の連続気孔が形成されているナノ多孔質体である。 The `` dry gel '' in this specification is a porous body formed by a sol-gel reaction, and a solid skeleton solidified by a reaction of a gel raw material liquid passes through a wet gel configured to include a solvent, It is formed by drying and removing the solvent. This dried gel is a nanoporous body in which continuous pores having an average pore diameter of about several nm to several μm are formed by a solid skeleton of nanometer size.
このような微細な構造を有する多孔質体であるため、固体部分を伝搬する音速が極端に小さくなるとともに、細孔によって多孔質体内の気体部分を伝搬する音速も極端に小さくなるという性質を有する。そのため、音速として500m/s以下程度の非常に遅い値を示し、従来の音響整合層とは全く異なる低い音響インピーダンスを得ることができる。また、ナノメートルサイズの細孔部では、気体の圧損が大きいために音響整合層として用いた場合に、音波を高い音圧で放射できるという特徴も有する。 Because of the porous body having such a fine structure, the sound velocity propagating in the solid part is extremely low, and the sound velocity propagating in the gas part in the porous body by the pores is also extremely low. . Therefore, a very low value of about 500 m / s or less is exhibited as the sound velocity, and a low acoustic impedance completely different from the conventional acoustic matching layer can be obtained. Further, the nanometer-sized pore portion has a feature that a sound pressure can be radiated at a high sound pressure when used as an acoustic matching layer because the gas has a large pressure loss.
このような乾燥ゲルの材質としては、無機材料、有機高分子材料など様々な材料を用いることができる。無機材料の固体骨格部としては、酸化ケイ素(シリカ)、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化チタンなどを用いることができる。また有機材料の固体骨格部としては、一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができ、例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール硬化樹脂、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸メチルなどを用いることができる。 Various materials such as an inorganic material and an organic polymer material can be used as the material of such a dried gel. As the solid skeleton of the inorganic material, silicon oxide (silica), aluminum oxide (alumina), titanium oxide, or the like can be used. As the solid skeleton of the organic material, a general thermosetting resin or a thermoplastic resin can be used. For example, polyurethane, polyurea, a phenol cured resin, polyacrylamide, polymethyl methacrylate, or the like can be used. .
本実施形態では、予め圧電体4と保護部2とによって形成された凹型空間P1(図1参照)の内部に上述の乾燥ゲルから音響整合層3を形成する。すなわち、液体状であるゲル原料液を圧電体4と保護部2とで構成される凹型空間P1に流し込んだ後、ゲル化、疎水化、および乾燥を行うことにより、音響整合層3となる乾燥ゲルを形成する。なお、本実施形態では、酸化ケイ素の固体骨格部を有する乾燥ゲルを音響整合層3として用いている。
In the present embodiment, the
具体的には、以下に示す工程1〜4を順次行うことにより、音響整合層3を形成することができる。
Specifically, the
1、テトラエトキシシラン、エタノール、およびアンモニア水溶液(0.1規定)を、モル比で、1:3:4となるように調製したゲル原料液(ゾル)を用意する。 1. A gel raw material liquid (sol) prepared by mixing tetraethoxysilane, ethanol, and an aqueous ammonia solution (0.1 N) at a molar ratio of 1: 3: 4 is prepared.
2、このゲル原料液をスポイトで圧電体と保護部で形成される凹型空間に滴下する。そのとき、凹型空間P1の体積よりも過剰な量のゲル原料液を滴下する。次に、凹型空間P1の内部に溜まったゲル原料液の高さが保護部の高さHと同じになるよう、テフロン(登録商標)製の平板(不図示)を用いたすり切り操作を行った後、テフロン板で蓋をする。 2. This gel raw material liquid is dropped with a dropper into a concave space formed by the piezoelectric body and the protective part. At this time, an excess amount of the gel raw material liquid is dropped from the volume of the concave space P1. Next, a cutting operation using a Teflon (registered trademark) flat plate (not shown) was performed so that the height of the gel raw material liquid stored in the concave space P1 was the same as the height H of the protective portion. Then, cover with a Teflon plate.
3、室温で約1日放置し、原料液がゲル化(湿潤ゲルの形成)した後、テフロン板を取り外す。その後、トリメチルエトキシシランの5重量%ヘキサン溶液中で、疎水化処理を行う。 3. Leave at room temperature for about one day, and after the raw material liquid has gelled (formation of wet gel), remove the Teflon plate. Thereafter, a hydrophobic treatment is performed in a 5% by weight hexane solution of trimethylethoxysilane.
4、超臨界乾燥槽に導入し、二酸化炭素雰囲気のもと、12MPa、50℃の条件で超臨界乾燥をおこなう。こうして、乾燥ゲルが形成される。 4. Introduce into a supercritical drying tank, and perform supercritical drying at 12 MPa and 50 ° C. under a carbon dioxide atmosphere. Thus, a dried gel is formed.
このような工程1〜4により、例えば、密度ρが0.3×103kg/m3、音速Cが280m/s、厚さが140μmの音響整合層4を形成することができる。
Through the
本発明は、密度が50kg/m3以上1000kg/m3以下で、かつ、音響インピーダンスが2.5×103kg/m2/s以上1.0×106kg/m2/s以下の材料から音響整合層を形成する場合に顕著な効果を発揮するが、上記の方法によれば、このような音響整合層を好適に作製することが可能となる。 According to the present invention, the density is 50 kg / m 3 or more and 1000 kg / m 3 or less, and the acoustic impedance is 2.5 × 10 3 kg / m 2 / s or more and 1.0 × 10 6 kg / m 2 / s or less. A remarkable effect is exhibited when the acoustic matching layer is formed from a material. According to the above-described method, such an acoustic matching layer can be suitably manufactured.
上記方法によれば、音響整合層3の厚さを保護部2の高さHに略等しくすることができるため、保護部2によって音響整合層3の厚さを高精度で制御できる。保護部2は、製造工程のある段階においては、ゲル原料液のガイドとして機能しているといえる。
According to the above method, the thickness of the
上記方法によれば、厚さばらつきの少ない音響整合層3を歩留まり良く形成できるため、超音波送受信器の特性ばらつきを抑制することが可能になる。なお、本発明において、保護部2の高さを音響整合層3の厚さと等しくすることは不可欠ではない。保護部2の高さが音響整合層3の厚さより大きい場合は、音響整合層3の収縮を抑制し、機械的な衝撃から保護する機能は充分に発揮される。逆に、保護部2の高さが音響整合層3の厚さより小さい場合でも、保護部2を設けない場合にくられべれば、音響整合層3の収縮を抑制し、機械的な衝撃から保護する機能が高い程度で発揮される。
According to the above method, since the
上記方法で作製した音響整合層3を備えた超音波送受信器について、その送受信波形を測定した。測定により得られた波形図を図3(a)に示す。比較のため、ガラスバルーンをエポキシで固めた材料を音響整合層に用いた場合の送受信波形を図3(b)に示す。ここで用いたガラスバルーンの音響整合層は、密度が0.52g/cm3、音速が2500
m/s、厚さが1.25mmである。
The transmission / reception waveform of the ultrasonic transceiver including the
m / s and thickness is 1.25 mm.
なお、従来技術について説明したように、音響整合層の音響インピーダンスは、式(5)で規定される値を示すことが望ましい。本実施形態では、圧電体4にチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスを用い、超音波を伝搬する伝搬媒体としては空気を設定している。従って、圧電体4の密度が7.7×103kg/m3であり、音速が3800m/sであるので、音響インピーダンスは約29×106kg/m2/sとなる。一方、空気の密度は0.00118kg/m3であり、その音速は340m/sであるので、音響インピーダン
スは約0.0004×106kg/m2/sとなる。このため、式(5)より、音響整合層の好ましい音響インピーダンスは、理論上、約0.1×106kg/m2/sとなる。
Note that, as described in the related art, it is desirable that the acoustic impedance of the acoustic matching layer indicates a value defined by Expression (5). In the present embodiment, the
本実施形態の超音波送受信器1における音響整合層3の音響インピーダンスは、密度が0.3×103kg/m3で、音速が280m/sであるため、約0.084×106kg
/m2/sとなり、理論上の理想値に極めて近いものとなっている。
The acoustic impedance of the
/ M 2 / s, which is very close to the theoretical ideal value.
図3からわかるように、本実施形態によれば、従来のセンサに比較して3倍以上の送受信感度を得ることができる。また、本実施形態では、保護部2を設けているため、機械的強度が低く壊れやすい乾燥ゲルから形成した音響整合層を有する超音波送受信器でも、歩留まり良く製造され、しかも、使用時においても、長期間信頼に足る動作を継続することができる。外部振動テスト、熱的衝撃のテスト、連続振動テストなどを行い、音響整合層3が圧電体4から剥離するか否かを厳しい条件下で評価したが、超音波送受信器の性能が劣化することは無く、極めて安定な動作を確認することができた。
As can be seen from FIG. 3, according to the present embodiment, it is possible to obtain three times or more the transmission / reception sensitivity as compared with the conventional sensor. Further, in the present embodiment, since the
本実施形態では、上記工程4において、湿潤ゲルを乾燥させて乾燥ゲルを得る際、超臨界乾燥法を用いたが、通常の大気中での乾燥を行っても良い。この場合、湿潤ゲルから乾燥ゲルへの変化する過程で収縮が起こり、10〜20%程度の体積変化が発生する。このような体積収縮が生じると、従来の構成では、音響整合層3が圧電体4から剥離する。しかし、本実施形態の場合は、図4に示すように、保護部2が存在するため、乾燥ゲルの収縮が主として厚さ方向にのみ起こる。すなわち、圧電体4と音響整合層3との界面で、面内方向の応力がほとんど発生せず、音響整合層3の剥離が効果的に防止される。従って、超臨界乾燥法よりも簡便な大気中乾燥法を採用しても、高感度・高信頼性の超音波送受信器1を作製することができ、製造コストを低減することが可能となる。
In the present embodiment, when the wet gel is dried in
なお、保護部2の高さは、乾燥ゲルの収縮率を考慮して、最終的な音響整合層3の厚さが最適な大きさを持つように設定されることが好ましい。なお、収縮の程度が大きくなりすぎて、音響整合層3の最も薄い部分の厚さが平均厚さの90%以下に減少すると、音響整合層3の特性が劣化するので好ましくない。超臨界乾燥法によれば、音響整合層3の最も薄い部分の厚さを平均厚さの98%以上に維持することができる。
Preferably, the height of the
音響整合層3の下面と接する圧電体4の上面、および音響整合層3の側面と接する保護部2の内側面に対しては、前もって、プラズマクリーニングや酸処理などの表面処理を行っておくことが好ましい。このような処理によって接触面に水酸基を形成しておくと、乾燥ゲルと圧電体4および保護部2との間の化学的な結合をより強固にすることができる。
The upper surface of the
音響整合層3と圧電体4および保護部2と間で強固な結合を実現するには、圧電体4および保護部2の表面のうち、音響整合層3に接する領域を粗面化してもよい。粗面化の手法としては、通常のヤスリがけや、ブラスト処理、物理的あるいは化学的なエッチング操作などが有用に利用することができる。
In order to realize strong coupling between the
音響整合層3と保護部2との密着性を向上させるには、保護部2の材料として多孔質材料を用いることも有効である。多孔質体から保護部2を形成することにより、音響整合層3の一部が保護部2の内部まで浸透して一体化するため、更に強固な密着状態を得ることができる。
In order to improve the adhesion between the
保護部2に使用可能な多孔質体としては、例えば、発泡法等によって製造された金属、セラミック、樹脂などがあげられる。多孔質金属としては、ステンレス、ニッケル、銅など、セラミックとしてはアルミナ、チタン酸バリウムなど、樹脂としてはエポキシ、ウレタンなど様々な材料を用いることもできる。
Examples of the porous body that can be used for the
なお、本明細書において、「音響整合層を保護する」とは、音響整合層を機械的な振動や衝撃から守ることだけではなく、形成時に収縮する材料から音響整合層を作製する工程で音響整合層の剥離を抑制することをも含むものとする。音響整合層をこのようにして保護する部材を採用することにより、機械的強度が弱く、収縮性を有する材料から音響整合層を形成しても、音響整合層の機能(音響的な整合により圧電体と超音波の伝搬媒体との間の超音波の送受信を効率的に行えるような働き)を実用レベルで持続させることができる。 In this specification, “protecting the acoustic matching layer” means not only protecting the acoustic matching layer from mechanical vibration and impact, but also a process of manufacturing the acoustic matching layer from a material that contracts during formation. This also includes suppression of separation of the matching layer. By adopting a member that protects the acoustic matching layer in this manner, even if the acoustic matching layer is formed from a material having low mechanical strength and contractility, the function of the acoustic matching layer (piezoelectricity due to acoustic matching). The function of efficiently transmitting and receiving ultrasonic waves between the body and the propagation medium of ultrasonic waves) can be maintained at a practical level.
(実施形態2)
図5を参照しながら、本発明の第2の実施形態を説明する。
(Embodiment 2)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態では、保護部と圧電体とが一体化されている。具体的には、圧電体5の主面中央部に凹部5aを形成し、圧電体5の一部5bを保護部として用いている。言い換えると、圧電体5の一部5bが保護部として機能し、保護部と圧電体が一体的に形成されている。
In the present embodiment, the protection unit and the piezoelectric body are integrated. More specifically, a concave portion 5a is formed in the center of the main surface of the
図5の超音波送受信器は、次のようにして作製される。 The ultrasonic transceiver in FIG. 5 is manufactured as follows.
まず、分極処理の済んだ圧電体5を用意した後、圧電体5の一方の面(主面)を加工して凹部5aを形成する。凹部5aを形成するための加工は、エンドミルやサンドブラストによって行うことができる。凹部5aの深さは、保護部(5b)の高さに対応する。この後、凹部5aが形成された面に電極を形成し、圧電体の凹部と反対側の面にも電極を形成する。電極は、例えば、めっきやスパッタなどにより、金、ニッケルなどの金属膜を形成することによって作製される。
First, after preparing the
本実施形態によれば、圧電体5を加工し、その主面の周辺部を保護部と機能させるため、別途作製した保護部を圧電体に接合する工程が不要となる。保護部の接合に接着を用いた場合は、接着層の存在による保護部の高さの変化を考慮する必要があるが、本実施形態によれば、高さが高い精度で規定された保護部によって音響整合層3の厚さを高精度で調節できるため、安定して高性能の超音波送受信器を提供することができる。
According to the present embodiment, since the
本実施形態においても、圧電体5の表面のうち、音響整合層3と接触する部分に対して水酸基を形成する処理を行うことが好ましい。また、圧電体5に凹部5aを形成する加工に際して、圧電体5を粗面化すれば、音響整合層3と圧電体5との密着性を更に向上させることができる。
Also in the present embodiment, it is preferable to perform a process of forming a hydroxyl group on a portion of the surface of the
上記の実施形態1および実施形態2では、保護部として機能する部分は、圧電体5の主面に垂直な側面を有するリング状に形成されている。しかし、この保護部の側面は、図6に示すように、テーパを有していても良い。また、図7に示すように、音響整合層3の外周側面の全てに接触している必要は無く、複数の部分に分割された構造や、一部に切り欠きが形成された構造を有していても良い。
In the first and second embodiments, the portion functioning as the protection unit is formed in a ring shape having a side surface perpendicular to the main surface of the
上記の実施形態1または2の構成によれば、乾燥ゲルなどの密度が低く、音速の遅い材料を音響整合層に用いた場合でも、保護部が音響整合層と圧電体との結合を強固にして、高い送受信感度を発揮するとともに、超音波送振動子の製造工程段階における取り扱いを容易にし、高性能の超音波送振動子を高歩留まりで提供することが可能となる。また、超音波送振動子の使用段階における機械的衝撃や、超音波の送受信に伴う振動によっても特性の劣化しにくく信頼性に優れた素子が実現する。 According to the configuration of the first or second embodiment, even when a material having a low density such as a dry gel and a low sound speed is used for the acoustic matching layer, the protection portion strengthens the coupling between the acoustic matching layer and the piezoelectric body. As a result, it is possible to exhibit high transmission / reception sensitivity, facilitate the handling of the ultrasonic transmission oscillator in the manufacturing process, and provide a high-performance ultrasonic transmission oscillator at a high yield. In addition, a device which is hardly deteriorated in characteristics due to a mechanical shock at the stage of using the ultrasonic transmitting transducer and a vibration accompanying transmission / reception of ultrasonic waves, and which is excellent in reliability is realized.
(実施形態3)
図8を参照しながら、本発明の第3の実施形態を説明する。
(Embodiment 3)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態に特徴的な点は、構造支持体6を有している点にある。図8に示す構造支持体6は、音響整合層3なとが固定される円板状支持部6aと、この円盤状支持部から軸方向に連続的に延びる円筒部6bとを備えている。円筒部の端部は、断面がL字型に折れ曲がり、遮蔽のためのプレート60や、他の装置などに固定されやすくなっている。
The feature of the present embodiment lies in that the
構造支持体6の支持部6aの表面には、音響整合層3と保護部2とが配置されており、支持部6aの裏面には圧電体4が配置されている。すなわち、圧電体4および音響整合3は、それぞれ、構造支持体6を挟んで対向する位置に設けられている。このような構造支持体6を用いることにより、超音波送受信器(超音波送受波器)の取り扱いが極めて容易となる。
The
構造支持体6を密閉可能な容器(センサーケース)から構成することができる。この場合、構造支持体6の円筒部6bの開放端を遮蔽用プレート60などで塞ぎ、かつ、構造支持体6の内部を不活性ガスで満たせば、流速測定の対象とする流体から圧電体4を遮断することができる。圧電体4には電圧が印加されるため、可燃性ガスで圧電体4が囲まれていると、可燃性ガスに引火する危険性もある。しかし、構造支持体6を密閉型の容器から構成し、内部を外部から遮断することにより、そのような引火を防止できるため、可燃性ガスに対しても安全に超音波を放射することができる。また、外部のガスが可燃性でなくとも、圧電体4と反応し、圧電体4の特性を劣化する可能性のあるガスに超音波を放射する場合でも、圧電体4を外部のガスから遮断することにより、圧電体4の劣化を抑制し、長期間に渡って信頼性の高い動作を実現することが可能となる。
The
なお、図8の例では、保護部2は、圧電体4の超音波送受信面の外側周辺部に配置されている。一般に保護部2は音響整合層3の役割を果たさないため、圧電体4の主面上に保護部2が配置すると、その部分は超音波の送受信に寄与しない部分となり、送受信感度が低下してしまう。
In the example of FIG. 8, the
構造支持体6が音響的阻害要因とならないようにするには、圧電体4が接触する円板状支持部6aの厚さを、送受信する超音波の波長の1/8以下とすることが望ましい。この厚さを波長の1/8程度以下とすることにより、構造支持体6は超音波の伝搬を阻害しなくなる。
In order to prevent the
本実施形態では、構造支持体6の材料としてステンレスを用い、構造支持体6の厚さを0.2mmに設定している。ステンレス中の音速は、約5500m/sであるため、0.2mmは周波数500kHzの超音波における波長の約55分の1に相当する。このように薄いステンレスから構造支持体6を形成しているため、構造支持体6が超音波の伝搬経路内に介在しても、殆ど音響的な障害とはならない。
In this embodiment, stainless steel is used as the material of the
構造支持体6の材料は、金属材料に限定されず、セラミック、ガラス、樹脂なから目的に応じた材料が選択され得る。本実施形態では、外部の流体と圧電体とを確実に分離し、構造支持体6に何らかの機械的衝撃が加わったとしても、圧電体と外部流体との接触を防止することができる強度を与えるため、金属材料から構造支持体6を作製している。これにより、例えば可燃性や爆発性を有するガスを対象として超音波の送受信を行っても、高い安全性を確保することができる。
The material of the
安全な気体に対して超音波の送受信を行う場合には、コスト低減を目的として、樹脂などの材料から構造支持体6を形成しても良い。
When transmitting / receiving ultrasonic waves to / from a safe gas, the
構造支持体6と音響整合層3との密着性を高めるため、構造支持体6の表面のうち、音響整合層3と接触する部分に、前もって、水酸基を付加するプラズマ処理や酸処理を行うことが好ましい。また、やすりがけやサンドブラスト処理、化学的および/または物理的エッチングなどによって、この部分の粗面化を行ってもよい。
In order to enhance the adhesion between the
(実施形態4)
次に、図9を参照しながら、本発明の第4の実施形態を説明する。
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態の超音波送受信器では、構造支持体7の一部7aが保護部として機能し、構造支持体7と保護部とが一体化している。例えばステンレスなどの金属材料をプレス成形することによって構造支持体7を作製する際、その円板状支持部に凹部7bを形成し、凹部7bの周辺(構造支持体7のプレス成形によって折り曲げられた部分7a)を保護部として用いることができる。
In the ultrasonic transceiver of the present embodiment, a
このような構成を採用することにより、保護部を構造支持体に接合する工程を省くことができる。また、実施形態1と同様に、接着層によって保護部の高さがばらつくこともなくなるため、高感度な超音波送受信器を歩留まり良く作製することができる。 By adopting such a configuration, it is possible to omit the step of joining the protective portion to the structural support. Further, similarly to the first embodiment, since the height of the protection portion does not vary due to the adhesive layer, a high-sensitivity ultrasonic transceiver can be manufactured with high yield.
なお、図9では、構造支持体7を密閉するためのプレートを記載していないが、必要に応じて、このようなプレートを構造支持体7に固着または一体化してもよい。以下に説明する他の実施形態でも同様である。
Although FIG. 9 does not show a plate for sealing the
(実施形態5)
図10および図11を参照しながら、本発明の第5の実施形態を説明する。
(Embodiment 5)
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態の超音波送受信器は、音響整合層3と圧電体4との間に配置された他の音響整合層(下層の音響整合層)8を備えている。下層音響整合層8の挿入を除けば、本実施形態の構成は実施形態2の構成と同様である。
The ultrasonic transceiver according to the present embodiment includes another acoustic matching layer (lower acoustic matching layer) 8 disposed between the
音響整合層は、音響インピーダンスの不整合による音波の内部反射を抑え、効率よく超音波を圧電体から媒体(超音波伝搬媒体)に放射させる役割を果たす。このような音響整合層は、単一の周波数を有する超音波(連続波の超音波)を送信または受信する場合には、1層で充分である。 The acoustic matching layer plays a role in suppressing internal reflection of sound waves due to acoustic impedance mismatch and efficiently radiating ultrasonic waves from a piezoelectric body to a medium (ultrasonic propagation medium). Such an acoustic matching layer is sufficient when transmitting or receiving ultrasonic waves having a single frequency (continuous ultrasonic waves).
これに対し、通常の超音波送受信器では、パルスまたはバースト状の超音波を送受信する。パルスまたはバースト状の超音波は、単一の周波数成分ではなく、広帯域の周波数成分を含んでいる。このような超音波の送受信を高感度で行うためには、圧電体と超音波伝搬媒体との間で、音響整合層の音響インピーダンスを徐々に変化されることが好ましい。このように音響インピーダンスを徐々に変化させるには、音響整合層を多層化し、構成層の音響インピーダンスを徐々にシフトさせればよい。 In contrast, an ordinary ultrasonic transceiver transmits and receives pulsed or burst-like ultrasonic waves. The pulsed or burst-like ultrasonic waves contain not a single frequency component but a broadband frequency component. In order to transmit and receive such ultrasonic waves with high sensitivity, it is preferable to gradually change the acoustic impedance of the acoustic matching layer between the piezoelectric body and the ultrasonic wave propagation medium. To gradually change the acoustic impedance in this way, the acoustic matching layer may be multi-layered, and the acoustic impedance of the constituent layers may be gradually shifted.
本実施形態では、図10に示すように、音響整合層を2層化している。具体的には、下層の音響整合層8として、セラミックスからなる多孔質焼結体を用いている。この音響整合層8は、見かけ密度が約0.64×103kg/m3、音速が2000m/s、音響インピーダンスが約1.28×106kg/m2/sである。セラミックスとしては、チタン酸バリウム系の材料を用いている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 10, the acoustic matching layer has two layers. Specifically, a porous sintered body made of ceramics is used as the lower
「見かけ密度」とは、多孔質体に含まれる空間部分も含んだ密度である。多孔質セラミックスは、体積の約80%が空間部分(空孔)であり、セラミックスの実体部は全体の約20体積%である。このような多孔質セラミックスは、樹脂製のボールとセラミックス粉末を混合、加圧成形した後に、セラミックスを焼結させる過程において、樹脂ボールを加熱、燃焼除去することによって形成される。焼結に際して加熱を急激に行うと、樹脂ボールが膨張または急激なガス化を起こし、セラミックス構造体を破壊してしまうため、緩やかな加熱を行うことが好ましい。 The “apparent density” is a density including a space portion included in the porous body. About 80% of the volume of the porous ceramics is a space (hole), and the substantial part of the ceramics is about 20% by volume of the whole. Such a porous ceramic is formed by mixing and pressure-molding a resin ball and a ceramic powder, and then heating, burning and removing the resin ball in the process of sintering the ceramic. If heating is performed abruptly during sintering, the resin ball expands or rapidly gasifies and breaks the ceramic structure, so it is preferable to perform gentle heating.
本実施形態では、このような下層の音響整合層8を圧電体4(直接的には構造支持体6)に対して固定した後、この音響整合層8のうち、圧電体4とは反対側の面に対して、保護部2を接合する。保護部2は、実施形態1で用いた保護部2と同様にステンレス製のリングから作製したものを用いることができる。接合は全てエポキシ系の接着剤で行うことができる。
In the present embodiment, after the lower
こうして下層の音響整合層8と保護部2とによって形成された凹部内に、実施形態1と同様にして、音響整合層3となる乾燥ゲル層を形成した。
In this manner, a dried gel layer to be the
本実施形態では、実施形態1における工程1と同様の工程1において、ゲル化反応触媒となるアンモニアの濃度を変更することにより、乾燥ゲルの密度を調整し、音響整合層として密度0.2×103kg/m3、音速160m/s、音響インピーダンス約0.032×106kg/m2/sの乾燥ゲル層を形成する。保護部2の高さは、音響整合層の音速が160m/sであるため、音響整合層における超音波波長の1/4となるよう、80μmに設定している。保護部2の内側面には、プラズマエッチングにより水酸基を付与する処理を行うことが好ましい。
In the present embodiment, in
図11(a)は、本実施形態における超音波送受信器の送受信波形を示している。図11のグラフ中において、縦軸は信号振幅、横軸は時間である。軸上の数値は指数標記であり、例えば「2.0E−04」は2.0×10-4を意味している。他のグラフも同様である。 FIG. 11A shows a transmission / reception waveform of the ultrasonic transceiver in the present embodiment. In the graph of FIG. 11, the vertical axis represents signal amplitude, and the horizontal axis represents time. The numerical value on the axis is an index notation, for example, “2.0E-04” means 2.0 × 10 −4 . The same applies to other graphs.
測定に用いた超音波送受信器では、下層の音響整合層8となる多孔質セラミックスの厚さを1mmとし、保護部2および第1音響整合層(乾燥ゲル層)3の厚さを80μmに設定した。
In the ultrasonic transmitter / receiver used for the measurement, the thickness of the porous ceramics serving as the lower
比較のため、図10の超音波送受信器において、2層の音響整合層3、8の代わりに、ガラスバルーンをエポキシで固めた従来の音響整合層を用いた超音波送受信器を作製し、その送受信波形を測定した。測定結果を図11(b)に示す。
For comparison, in the ultrasonic transmitter / receiver of FIG. 10, instead of the two
音響整合層を2層とすることにより、従来の超音波センサに比較して約20倍の高い感度を得ることができた。また、実施形態1における超音波センサと比較しても、高感度化と同時に広帯域化(短パルス化)が図られたことがわかる。このように、音響整合層の2層化により、パルスやバースト波を送受信するのに極めて好適な超音波送受信器を提供することが可能となる。 By using two acoustic matching layers, a sensitivity approximately 20 times higher than that of a conventional ultrasonic sensor could be obtained. Also, as compared with the ultrasonic sensor according to the first embodiment, it can be seen that the sensitivity is increased and the band is broadened (shortened pulse). As described above, by forming the acoustic matching layer into two layers, it becomes possible to provide an ultrasonic transceiver that is extremely suitable for transmitting and receiving pulses and burst waves.
(実施形態6)
図12を参照しながら、本発明の第6の実施形態を説明する。
(Embodiment 6)
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態では、下層の音響整合層9の一部が保護部として機能し、音響整合層9と保護部とが一体化している。この例では、音響整合層9を加工して、その主面に凹部を形成している。上層の音響整合層3となる乾燥ゲル層は、下層の音響整合層9の凹部内に形成される。
In the present embodiment, a part of the lower acoustic matching layer 9 functions as a protection unit, and the acoustic matching layer 9 and the protection unit are integrated. In this example, the acoustic matching layer 9 is processed to form a concave portion on the main surface. The dry gel layer that becomes the upper
このような構成を採用することにより、保護部を音響整合層9に接合する工程を省くことができる。また、接着層によって保護部の高さがばらつくという問題も解決することができ、広帯域において高感度で動作する超音波送受信器を歩留まり良く製造することができる。 By adopting such a configuration, the step of joining the protection section to the acoustic matching layer 9 can be omitted. In addition, the problem that the height of the protective portion varies due to the adhesive layer can be solved, and an ultrasonic transceiver that operates with high sensitivity over a wide band can be manufactured with high yield.
本実施形態では、下層の音響整合層9を多孔質体から形成している。このため、上層の音響整合層3との結合が強く、高感度、高安定性を確保することができる。この密着性を更に高めるため、上層の音響整合層3と下層の音響整合層9との接触面に対して、前もって、水酸基を付与するプラズマ処理または酸処理などを行ってことが好ましい。
In the present embodiment, the lower acoustic matching layer 9 is formed of a porous body. Therefore, the coupling with the upper
本実施形態および前述の実施形態5では、音響整合層が2層構造を有しているが、本発明の超音波振動子は、このような構成に限定されず、3層以上の多層構造を有していてもよい。音響整合層を多層化することにより、更に感度を高め、帯域を広くすることができる。ただし、多層化によって感度を高めるには、音響インピーダンスが極めて低い材料から最外層となる音響整合層を形成する必要があるため、実用上は、2層構造の採用が現実的である。 In this embodiment and the above-described fifth embodiment, the acoustic matching layer has a two-layer structure. However, the ultrasonic vibrator of the present invention is not limited to such a structure, and has a multilayer structure of three or more layers. You may have. By making the acoustic matching layer multilayer, the sensitivity can be further increased and the band can be widened. However, in order to increase the sensitivity by increasing the number of layers, it is necessary to form the outermost acoustic matching layer from a material having an extremely low acoustic impedance. Therefore, in practice, it is practical to adopt a two-layer structure.
(実施形態7)
図13〜15を参照しながら、本発明の第7の実施形態を説明する。
(Embodiment 7)
A seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態の超音波送受信器は、図13に示すように、圧電体4の背面側に背面負荷材10が接合されており、保護部2は背面負荷材10の上部に形成されている。この他の点では、実施形態3と同様の構成を有している。
As shown in FIG. 13, in the ultrasonic transceiver according to the present embodiment, a
背面負荷材10は、圧電体4から背面側へ放射される超音波を減衰させる機能を有しており、そのような機能を発揮し得る材料であれば、どのような材料から形成されていても良い。
The
保護部2は、筒状の金属から形成されており背面負荷材10の主面に接着されている。保護部2の厚さは、圧電体4、下層の音響整合層8、および上層の音響整合層3の合計厚さに等しい。本実施形態では、圧電体4の厚さを3mm、音響整合層8の厚さを1mm、音響整合層3の厚さを0.08mmに設定しているため、保護部2の厚さは4.08mmである。
The
本実施形態の背面負荷材10はフェライトゴムから形成されている。フェライトゴムは、ゴム中に鉄粉を分散させた材料であり、音波の減衰率が高い。このような背面負荷材10を圧電体4の背面に接合することにより、圧電体4の背面側から放射された超音波を減衰させ、広帯域の(パルス幅の短い)超音波を送受信することが可能となる。
The
図14は、図13の構成を有する超音波送受信器について測定した送受信波形を示している。実施形態3の超音波送受信器に比べて、本実施形態の送受信感度は低下しているが、より広い帯域での動作が実現し、幅の短いパルスの送受信に適した超音波送受信器を構成することができる。 FIG. 14 shows transmission / reception waveforms measured for the ultrasonic transceiver having the configuration of FIG. Although the transmission / reception sensitivity of the present embodiment is lower than that of the ultrasonic transmitter / receiver of the third embodiment, an operation in a wider band is realized, and an ultrasonic transmitter / receiver suitable for transmitting / receiving short-width pulses is configured. can do.
図13に示す背面負荷材10に代えて、図15に示す背面負荷材11を用いても良い。図15に示す背面負荷材11は、その一部が保護部として機能し、保護部と背面負荷材とが一体化している。背面負荷材11は、主面の周辺部を除く領域に凹部が形成された構成を有しており、凹部内に圧電体4が挿入され、背面負荷材11の凹部内面に接着されている。背面負荷材11に設けられた凹部の深さは、圧電体4の高さよりも大きく設定されており、挿入後の圧電体4の上面に音響整合層となる乾燥ゲル層を形成すれば、図15の構成が得られる。背面負荷材11の採用により、図13の超音波送受信器と同様の広帯域化が達成される。
Instead of the
(実施形態8)
図16を参照しながら、図12に示す超音波送受信器の製造方法の実施形態を説明する。
(Embodiment 8)
An embodiment of the method for manufacturing the ultrasonic transceiver shown in FIG. 12 will be described with reference to FIG.
まず、図16(a)に示すように、圧電体4および下層の音響整合層9を構造支持体6に接合する。接合には接着剤を用いることができる。前述のように、圧電体4は圧電セラミックスから形成され、構造支持体6はステンレスから形成されている。下層の音響整合層9は、上面に凹部を有する多孔質セラミックスから形成されている。この凹部は、平板状の多孔質セラミックスの上面を旋盤などによって加工することによって形成される。
First, as shown in FIG. 16A, the
次に、図16(b)に示すように、構造支持体6に接着された状態の音響整合層9の凹部に対し、上層の音響整合層となる乾燥ゲルを形成する。乾燥ゲルの形成は、第1の実施形態について説明した方法で行うことができる。
Next, as shown in FIG. 16B, a dried gel to be an upper acoustic matching layer is formed in the concave portion of the acoustic matching layer 9 adhered to the
多孔質セラミックスから形成された音響整合層9にゲル原料を充分に浸透させるため、ゲル原料を流し込んだ後、真空または減圧雰囲気内に配置することが好ましい。このようにして、本実施形態では、ゲル原料を、音響整合層9の保護部として機能する部分だけではなく、音響整合層9の内部全体に浸透させる。こうすることにより、乾燥ゲルを下層の音響整合層9に強固に結合させるとともに、音響整合層9の特性を均一にすることが可能となる(図16(c))。以下、この点を、図17を参照して説明する。 In order to sufficiently infiltrate the gel material into the acoustic matching layer 9 formed of porous ceramics, it is preferable that the gel material is poured and then placed in a vacuum or reduced pressure atmosphere. In this manner, in the present embodiment, the gel raw material permeates not only the portion functioning as the protective portion of the acoustic matching layer 9 but also the entire inside of the acoustic matching layer 9. This allows the dried gel to be firmly bonded to the lower acoustic matching layer 9 and makes the characteristics of the acoustic matching layer 9 uniform (FIG. 16C). Hereinafter, this point will be described with reference to FIG.
図17(a)は、下層の音響整合層9にゲル原料が充分に浸透した状態を示している。このため、下層の音響整合層9は音響的に単一つの層として機能し、音響インピーダンスは、音響整合層9の相対的に高い値から、上層の音響整合層の相対的に低い値へ階段状に減少する。 FIG. 17A shows a state in which the gel raw material has sufficiently penetrated into the lower acoustic matching layer 9. For this reason, the lower acoustic matching layer 9 acoustically functions as a single layer, and the acoustic impedance is stepped from a relatively high value of the acoustic matching layer 9 to a relatively low value of the upper acoustic matching layer. Decrease in shape.
一方で、ゲル原料の浸透が不十分である場合には、図17(b)に示すように、実質的に3層構造を有する音響整合層が形成される。この場合、ゲル原料の浸透が不充分な最下層(第1層)の音響インピーダンスが設定値よりも小さくなるため、真ん中の層(第2層)の音響インピーダンスが最も大きくなる。音響インピーダンスの分布が図17(b)に示すようになると、図中の下方に配置される圧電体(不図示)から超音波伝搬媒体となる気体に向かって音響インピーダンスが段階的に小さくならず、超音波送受波器の特性が劣化してしまうため、ゲル原料の浸透を充分に行うことが好ましい。 On the other hand, when the penetration of the gel raw material is insufficient, an acoustic matching layer having a substantially three-layer structure is formed as shown in FIG. In this case, the acoustic impedance of the lowermost layer (first layer) where the penetration of the gel raw material is insufficient is smaller than the set value, so that the acoustic impedance of the middle layer (second layer) is the largest. When the distribution of the acoustic impedance becomes as shown in FIG. 17B, the acoustic impedance does not decrease stepwise from the piezoelectric body (not shown) disposed below in the figure toward the gas serving as the ultrasonic wave propagation medium. Since the characteristics of the ultrasonic transducer deteriorate, it is preferable to sufficiently permeate the gel raw material.
上記の実施形態では、図16に示すように、下層の音響整合層9を構造支持体6に固定する工程の後、第1音響整合層3を形成する工程を行っているが、これらの工程の順序を反対にしてもよい。図18(a)から(d)を参照して、他の製造方法を説明する。
In the above embodiment, as shown in FIG. 16, after the step of fixing the lower acoustic matching layer 9 to the
まず、図18(a)に示すように、保護部として機能する部分を有する音響整合層9を用意する。次に、図18(b)に示すように、音響整合層9の凹部にゲル原料を滴下し、凹部内のゲル原料の高さを保護部の高さに一致させるようにすり切り、ゲル原料を音響整合層9の全体に浸透させる。ゲル材料の硬化、疎水化の後、超臨界乾燥法でゲル原料を乾燥させ、図18(c)に示すように、乾燥ゲルからなる音響整合層3を下層の音響整合層上9に形成する。
First, as shown in FIG. 18A, an acoustic matching layer 9 having a portion functioning as a protection unit is prepared. Next, as shown in FIG. 18B, the gel raw material is dropped into the concave portion of the acoustic matching layer 9, and the gel raw material in the concave portion is cut so as to match the height of the protective portion. It permeates the entire acoustic matching layer 9. After hardening and hydrophobizing the gel material, the gel raw material is dried by a supercritical drying method, and an
その後、図18(d)に示すように、圧電体4が固定された状態の構造支持体6に音響整合層を接着する。なお、構造支持体6を用いず、図18(c)の音響整合層を圧電体4に直接接着しても良い。
After that, as shown in FIG. 18D, the acoustic matching layer is bonded to the
なお、接着時に加圧によって乾燥ゲルが破壊されないように、最適な加圧条件を選択することが好ましい。乾燥ゲルの圧縮方向の応力に対する強度は比較的高いため、上記接着工程で製造歩留まりが低下することは殆ど無い。 In addition, it is preferable to select optimal pressing conditions so that the dried gel is not destroyed by pressing during bonding. Since the strength of the dried gel with respect to the stress in the compression direction is relatively high, the production yield hardly decreases in the bonding step.
なお、上層の音響整合層3の弾性率と下層の音響整合層9の弾性率とが相互に近い値を示すように、音響整合層3および音響整合層9の材料を選定することが好ましい。両者の弾性率が近いと、接着面の全体に均一な圧力を与えることができ、感度の高い超音波送受信器を高い歩留まりで製造することが容易になる。
It is preferable that the material of the
図18(a)から(d)に示す方法では、音響整合層9の上に乾燥ゲルを形成する工程において、圧電体や構造支持体を取り扱う必要が無いため、乾燥装置などの設備が小型で済み、低コストで超音波送受波器を製造することが可能となる。 In the method shown in FIGS. 18A to 18D, in the step of forming a dry gel on the acoustic matching layer 9, it is not necessary to handle a piezoelectric body or a structural support, so that equipment such as a drying apparatus is small. It is possible to manufacture an ultrasonic transducer at low cost.
乾燥ゲルの形成工程においては、接着層などの有機物に化学的な負荷がかかる可能性があるが、接着工程を乾燥ゲル形成の後に行うことにより、接着部分を劣化させない。 In the step of forming the dried gel, a chemical load may be applied to an organic substance such as an adhesive layer. However, performing the bonding step after the formation of the dried gel does not deteriorate the bonded portion.
(実施形態9)
図19を参照しながら、本発明の他の実施形態を説明する。
(Embodiment 9)
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態に特徴的な点は、保護部2が音響整合層3の形成された領域の外周部だけでなく、当該領域の内部にも形成されていることにある。
A feature of the present embodiment is that the
ゲル原料から湿潤ゲルを経て乾燥ゲル層を形成する際、乾燥ゲル層の上面に凹凸が形成される場合がある。また、湿潤ゲルの乾燥を超臨界乾燥によらずに通常の乾燥法で行う場合、乾燥ゲルの収縮が起こるため、図4に示すような凹部が乾燥ゲルに形成されやすい。 When a dry gel layer is formed from a gel raw material via a wet gel, irregularities may be formed on the upper surface of the dry gel layer. In addition, when the wet gel is dried by a normal drying method without using supercritical drying, the dried gel shrinks, and concavities as shown in FIG. 4 are easily formed in the dried gel.
超音波送受波面が広い場合、上記の凹凸は大きくなりやすく、音響整合層の厚さを最適値に設定していても、現実には場所によっては音響整合層の厚さが最適な値から大きくシフトしてしまうことになる。 When the ultrasonic wave transmitting and receiving surface is wide, the above irregularities are likely to be large, and even if the thickness of the acoustic matching layer is set to the optimal value, the thickness of the acoustic matching layer may actually be larger than the optimal value depending on the place. It will shift.
乾燥ゲル層中の音速は著しく遅いため、音響整合層として適切に機能させるには、極めて薄く形成する必要があり、厚さの許容される誤差範囲も小さい。 Since the speed of sound in the dried gel layer is extremely slow, it must be formed extremely thin in order to function properly as an acoustic matching layer, and the allowable error range of the thickness is small.
図19(a)または図19(b)に示すようなレイアウトを有する保護部を形成すれば、音響整合層の厚さの誤差を目標値から±5%以内程度に抑えることができる。 By forming a protective portion having a layout as shown in FIG. 19A or 19B, an error in the thickness of the acoustic matching layer can be suppressed to about ± 5% from the target value.
図19(a)または図19(b)に示すように、超音波送受信器における超音波放射面の内部にも保護部2を設けると、音響整合層3の厚さの変動を最小に抑えることができるが、超音波放射面の内側に設けられた保護部2は、超音波の送受信に対して阻害要因となり得る。保護部2による音響的な特性劣化を防止するために、保護部2の大きさを、保護部2としての役割を果たす範囲においてできる限り小さくすることが好ましい。
As shown in FIG. 19 (a) or FIG. 19 (b), when the
図19(a)の構成例では、断面が円形の保護部2をランダムに配置しているが、保護部2の断面形状は円形に限定されず、矩形や多角形であってもよい。また、その配列もやランダム配置に限定されない。
In the configuration example of FIG. 19A, the
図19(b)の構成例では、同心円状の保護部2が設けられている。この構成例では、超音波送受信器における超音波放射面の内部にも保護部2が存在しているが、超音波送受信器の特性劣化が防止される。図19(b)の構成は、超音波送受器の中心軸上において超音波放射面から近距離Lだけ離れた位置へ超音波を送信する場合に有効である。
In the configuration example of FIG. 19B, a
保護部2と超音波放射面の中心との間の距離をrとすると、距離rは、次の式(6)を満足することが好ましい。
Assuming that the distance between the
ここで、λは超音波が伝搬する気体中の波長であり、Lは超音波送受信器の超音波放射面からの距離である。例えば、周波数が500kHz、超音波伝搬媒体が空気(音速340m/s)、測定距離Lが10mmの場合、(式6)から、中心からの半径rが2.6〜3.7mm、4.6〜5.4mm、6.1〜6.7mm・・・の位置に保護部2を設けることが好ましいことがわかる。このような位置に保護部2を設けると、音の干渉による音場の乱れを防止し、近距離における超音波の感度劣化を防止するのに有効である。
Here, λ is the wavelength in the gas through which the ultrasonic wave propagates, and L is the distance from the ultrasonic radiation surface of the ultrasonic transceiver. For example, when the frequency is 500 kHz, the ultrasonic wave propagation medium is air (sound speed 340 m / s), and the measurement distance L is 10 mm, the radius r from the center is 2.6 to 3.7 mm and 4.6 from Equation (6). It can be seen that it is preferable to provide the
超音波送受信器の音波放射面の各点を、それぞれ、点音源に見立てると、それぞれの点音源から放射された球面波を合成したものが送信される超音波となる。超音波放射面からの距離が短い場合、位相の異なる超音波が相殺するため、高出力の超音波を送信することができない位置が存在する。超音波放射面から位相の同じ超音波のみを放射させるためには、位相の異なる超音波を放射する領域に保護部2を設けることが有効である。このような領域に保護部2が設けられると、位相の異なる超音波の放射を抑えることができるため、近距離における音場の乱れを防止して、高出力の超音波送信が可能となる。
When each point on the sound wave emitting surface of the ultrasonic transmitter / receiver is regarded as a point sound source, an ultrasonic wave to be transmitted is obtained by synthesizing a spherical wave radiated from each point sound source. When the distance from the ultrasonic wave emitting surface is short, ultrasonic waves having different phases cancel each other, and there are positions where high-power ultrasonic waves cannot be transmitted. In order to radiate only ultrasonic waves having the same phase from the ultrasonic radiation surface, it is effective to provide the
(実施形態10)
図20は、本発明による超音波送受波器の第10の実施形態を示す断面図である。本実施形態の超音波送受波器21は、圧電体22と、圧電体22の両面に設けられた電極23a、23bと、圧電体22上に電極23aを介して設けられた保護整合層(第1音響整合部)24と、圧電体22上に電極23aを介して設けられた音響整合層(第2音響整合部)25とを備えている。
(Embodiment 10)
FIG. 20 is a sectional view showing a tenth embodiment of the ultrasonic transducer according to the present invention. The
図21は、図20に示した超音波送受波器21の上面図である。図21からわかるように、本実施形態の超音波送受波器は、厚さ(高さ)の異なる保護整合層24と音響整合層25とが交互に同心円状に配置された構造を有している。
FIG. 21 is a top view of the
本実施形態における圧電体22は、圧電性を有する材料から形成され、厚さ方向に分極されている。圧電体22の上下面に設けられた電極23a、23bに電圧が印加されると、電圧信号に基づいて圧電体22で超音波が発生し、保護整合層24および音響整合層25を介して超音波伝搬媒体(気体など)26へ放射される。また、超音波伝搬媒体26を伝播してきた超音波は、保護整合層24および音響整合層25を介して圧電体22へ伝播する。入射してきた超音波によって圧電体22は変形し、電極23aと電極23bとの間に電圧信号が発生する。
The
圧電体22の材料は任意であり、種々の公知材料から形成したものを用いることができる。圧電体22の代わりに公知の電歪体を用いてもよい。電極23a、23bは好ましくは金属から形成されるが、金属以外の導電材料から形成されていても良い。
The material of the
保護整合層24および音響整合層25は、圧電体22で発生した超音波振動を伝搬媒体26へ効率よく伝搬させ、また、超音波伝搬媒体26を伝搬してきた超音波を効率よく圧電体22へ伝える機能を有している。
The
本実施形態の音響整合層25は、好ましくは、乾燥ゲルから形成される。乾燥ゲルは、ゾルゲル反応によって形成される多孔質体であり、密度ρと音速Cとの積(ρ×C)で規定される音響インピーダンスを極めて小さくすることが可能な材料である。このため、乾燥ゲルから形成した音響整合層25を用いることにより、空気などの気体に対する超音波の送受波効率を極めて高くすることができる。
The
乾燥ゲルは、湿潤ゲルを形成した後、この湿潤ゲルを乾燥することによって得られる。湿潤ゲルは、まず、ゲル原料液を用意し、このゲル原料液の反応によって湿潤ゲルを作製することができる。湿潤ゲルは、ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部を有しており、この固体骨格部が溶媒を含んだ状態にある。 A dry gel is obtained by forming a wet gel and then drying the wet gel. For the wet gel, first, a gel raw material liquid is prepared, and a wet gel can be prepared by the reaction of the gel raw material liquid. The wet gel has a solid skeleton solidified by the reaction of the gel raw material liquid, and the solid skeleton contains a solvent.
湿潤ゲルを乾燥することによって得られる乾燥ゲルは、多孔質体であり、数nm〜数μm程度の固体骨格部の隙間に連続した気孔を有している。気孔の平均サイズは1nm〜数μm程度と極めて小さい。 The dried gel obtained by drying the wet gel is a porous body, and has continuous pores in the gap of the solid skeleton of about several nm to several μm. The average size of the pores is extremely small, about 1 nm to several μm.
作製条件を調節して乾燥ゲルの密度を小さくしてゆくと、乾燥ゲルの固体部分における音速が極端に小さくなるとともに、細孔内の気体部分における音速も極端に小さくなる。そのため、乾燥ゲルの音速は、低密度状態で500m/秒以下の低い値を示し、極めて低い音響インピーダンスを示すことになる。特に固体骨格部および細孔径が数nm程度と小さいサイズを持つ乾燥ゲルは極めて低い音速を示す。また、ナノメートルサイズの細孔部では気体の圧損が大きいため、乾燥ゲルから音響整合層を形成した場合、音波を高い音圧で放射できる。 As the production conditions are adjusted to reduce the density of the dried gel, the sound speed in the solid portion of the dried gel becomes extremely low, and the sound speed in the gas portion in the pores becomes extremely low. Therefore, the sound velocity of the dried gel shows a low value of 500 m / sec or less in a low density state, and shows an extremely low acoustic impedance. In particular, the solid skeleton and the dried gel having a small pore size of about several nm show an extremely low sound velocity. Further, since the gas has a large pressure loss in the nanometer-sized pores, when the acoustic matching layer is formed from the dried gel, sound waves can be emitted at a high sound pressure.
後述する製造方法によれば、同じ原料を用いても製造プロセス条件を調節することにより、乾燥ゲルの音響インピーダンスを広い範囲内で任意に値に制御することができる。また、製造プロセス条件を変えることにより、密度が略同程度の大きさでありながら、音速だけを変化させた音響整合層を作製することも可能である。 According to the production method described below, the acoustic impedance of the dried gel can be arbitrarily controlled within a wide range by adjusting the production process conditions even with the same raw material. In addition, by changing the manufacturing process conditions, it is possible to produce an acoustic matching layer in which only the sound speed is changed while the density is substantially the same.
乾燥ゲルは、このような有利な特徴を有するが、機械的強度が低い。このため、製造歩留まりを高くすることが困難であり、使用時における信頼性も低かった。このように機械的強度の低い乾燥ゲルを保護する部材を設けることにより、製造歩留まりおよび信頼性が向上することは、実施形態1〜9について示したとおりである。 Dried gels have these advantageous characteristics, but low mechanical strength. For this reason, it was difficult to increase the production yield, and the reliability during use was low. As described in the first to ninth embodiments, the provision of the member for protecting the dried gel having low mechanical strength improves the production yield and the reliability.
実施形態1〜9における保護部は、超音波送受波器の製造歩留まり、あるいは使用時における信頼性を向上させるのに極めて有効であり、さらに音響整合層の厚さを高精度に制御しうるため、超音波送受波器の性能安定化に対して有効である。しかし、前述のように、圧電体が超音波を放射または受け取る面(主面)上に保護部を設けると、その保護部が音響的な障害となり得る。これは、また、実施形態1〜9では、音響整合層の材料とは異なる材料から形成される上記保護部の厚さが、音響整合層の厚さと略等しくなるように設定されているため、保護部と音響整合層との間で音速が異なり、音響整合層と略同じ厚さの保護部は音響整合層の役割をしないためである。このため、実施形態1〜9の保護部は、超音波の送受信に対して阻害する要因となり得るため、圧電体の主面の外側に配置することが好ましい。 The protective portions in the first to ninth embodiments are extremely effective in improving the manufacturing yield of the ultrasonic transducer or the reliability in use, and can control the thickness of the acoustic matching layer with high accuracy. This is effective for stabilizing the performance of the ultrasonic transducer. However, as described above, when a protection portion is provided on a surface (principal surface) on which the piezoelectric body emits or receives ultrasonic waves, the protection portion may be an acoustic obstacle. This is because, in the first to ninth embodiments, the thickness of the protective portion formed of a material different from the material of the acoustic matching layer is set to be substantially equal to the thickness of the acoustic matching layer. This is because the sound speed differs between the protective portion and the acoustic matching layer, and the protective portion having substantially the same thickness as the acoustic matching layer does not function as the acoustic matching layer. For this reason, since the protection part of Embodiments 1-9 may become a factor which obstructs transmission / reception of an ultrasonic wave, it is preferable to arrange | position outside the main surface of a piezoelectric body.
しかし、更に厳しい環境条件に対する信頼性の確保や、超音波送受波器の外径の制限などによっては、圧電体上部に保護部を設けざるを得ない場合がある。 However, depending on securing reliability against more severe environmental conditions, or limiting the outer diameter of the ultrasonic transducer, there may be a case where a protection section must be provided above the piezoelectric body.
本実施形態では、圧電体の主面に、音響整合層25を保護する機能を果たす保護部(密度が相対的に高く、音響整合層25よりも機械的強度が高い材料から形成される)を有しながらも、超音波送受波器としての性能を損なわない構成を採用する。
In the present embodiment, a protection portion (made of a material having a relatively high density and a higher mechanical strength than the acoustic matching layer 25) that functions to protect the
本実施形態では、圧電体22の主面に設けられた保護部の厚さを送受信する超音波の波長の約1/4に設定している。これにより、機械的強度が相対的に高い保護部も音響整合層として機能する。このため、本明細書では、このような保護部を「保護整合層」と称する場合がある。このような構成を採用することにより、音響整合層を保護する保護部も音響整合層としての役割を果たすため、高感度な超音波送受波器を実現することができる。
In the present embodiment, the thickness of the protection portion provided on the main surface of the
音響整合層としての機能を最もよく発揮する厚さは、超音波の波長の1/4である。一方、保護整合層24における音速と音響整合層25における音速は異なる。このため、保護整合層24の厚さL3と音響整合層25の厚さL1とは、図20に示されるように、異なる大きさを有している(L3>L1)。
The thickness at which the function as the acoustic matching layer is best exhibited is 1 / of the wavelength of the ultrasonic wave. On the other hand, the sound speed in the
保護整合層24および音響整合層25の厚さがいずれも音速の1/4程度に設定されると、保護整合層24の厚さが音響整合層25の厚さと異なるため、音響整合層25の上面から放射された超音波と、保護整合層24の上面から放射された超音波が干渉する場合がある。高感度な超音波送受波器を実現するためには、それぞれから放射される超音波の位相関係が極めて重要となる。
If the thickness of each of the
図22(a)は、保護整合層24の上面における超音波の波形を示し、図22(b)は、音響整合層25の上方において、保護整合層24の上面と同じレベルにおける超音波の波形を示している。なお、図22(b)における符号「ta」は、超音波が超音波伝搬媒体26を伝搬する時間を示している。各グラフにおける横軸の1目盛りは、超音波の周波数が500kHzのとき、約3μ秒である。
FIG. 22A shows the waveform of the ultrasonic wave on the upper surface of the
音響整合層25の上面から放射された超音波は、気体などの超音波伝播媒体26を通って保護整合層24の上面と同じレベルに達する。このため、伝搬媒体26における音速や伝播媒体26のサイズL2によっては、音響整合層25の上方において、保護整合層24の上面と同じレベルにおける超音波の波形の位相関係が変化する。
The ultrasonic waves emitted from the upper surface of the
なお、図22(a)および(b)の信号波形は、保護整合層24および音響整合層25から放射される超音波の波長および振幅が等しいと仮定して求めたものである。
The signal waveforms in FIGS. 22A and 22B are obtained on the assumption that the wavelengths and amplitudes of the ultrasonic waves radiated from the
保護整合層24の厚さL3および音響整合層25の厚さL1が、それぞれ、各層における超音波波長の1/4であるとき、保護整合層24の下面と上面との間を超音波が伝搬するに要する時間は、音響整合層25の下面と上面との間を超音波が伝搬するに要する時間に等しい。従って、音響整合層25の上面から放射された超音波が保護整合層24の上面と同じレベルの位置に達した超音波の位相は、保護整合層24を伝搬して保護整合層24の上面に達した超音波の位相に比べて、遅れている。この位相の遅れは、音響整合層25の上面から出た超音波が伝搬媒体26の中を距離L2だけ伝播する時間に対応している。
When the thickness L3 of the
送受信する超音波の周波数をf[秒-1]とすると、超音波の1波長に等しい距離だけ超音波が進むのに必要な時間は1/f[秒]である。超音波が本実施形態の保護整合層24を通過するのに必要な時間t3は、1/4f[秒]である。一方、超音波が本実施形態の音響整合層25を通過するのに必要な時間t2も、1/4f[秒]である。ここで、超音波が伝搬媒体26の中をL2の距離だけ伝搬するために必要な時間をt2(=ta)とすると、時間t2に依存して、保護整合層24の上面から放射された超音波と音響整合層25の上面から放射された超音波との間に干渉が発生する。この干渉により、超音波の波形および感度が変化する。
Assuming that the frequency of the ultrasonic wave to be transmitted and received is f [sec- 1 ], the time required for the ultrasonic wave to travel a distance equal to one wavelength of the ultrasonic wave is 1 / f [sec]. The time t3 required for the ultrasonic wave to pass through the
図22(c)は、時間t2が1/2f[秒]である場合に観測される超音波波形を示しており、図22(d)は、時間t2が1/f[秒]である場合に観測される超音波波形を示している。図22(c)および(d)からわかるように、時間t2の値により、観測される超音波の感度が大きく異なる。時間t2が1/2f[秒]と等しいとき、位相のずれが超音波の半波長となり、観測される超音波の感度は低くなる。一方、時間t2が1/f[秒]のとき、位相のずれが超音波振動子の波長の整数倍となるため、観測される超音波の感度は高くなる。時間t2が1/2f〜1/f[秒]の範囲内にあるとき、t2が1/2f[秒]から1/f[秒]に近づくほど、超音波の送受信感度が上昇する。 FIG. 22C shows an ultrasonic waveform observed when the time t2 is 1 / 2f [second], and FIG. 22D shows a case where the time t2 is 1 / f [second]. 2 shows an ultrasonic waveform observed. As can be seen from FIGS. 22 (c) and (d), the sensitivity of the observed ultrasonic wave greatly differs depending on the value of the time t2. When the time t2 is equal to 1 / 2f [second], the phase shift becomes a half wavelength of the ultrasonic wave, and the sensitivity of the observed ultrasonic wave is reduced. On the other hand, when the time t2 is 1 / f [second], the phase shift is an integral multiple of the wavelength of the ultrasonic vibrator, and thus the sensitivity of the observed ultrasonic wave is high. When the time t2 is in the range of 1 / 2f to 1 / f [second], the transmission / reception sensitivity of the ultrasonic wave increases as the time t2 approaches 1 / 2f [second] to 1 / f [second].
音響整合層25から放射された超音波が伝搬媒体26を伝搬して保護整合層24の上面と同じレベルに達したとき、その超音波の位相が保護整合層24を伝搬してきた超音波の位相と略一致するように音響整合層25および保護整合層24の厚さを調節すると、高感度の超音波送受波器を提供できる。なお、本明細書で「位相が略一致する」とき、超音波の位相の差が超音波波長の1/4以下になることを意味し、位相の差は小さいほど好ましい。
When the ultrasonic wave radiated from the
図23は、時間t2が1/f[秒]である場合の超音波の位相を模式的に示した断面図である。この図では、保護整合層24の上面における超音波の位相と、音響整合層25の上方であって保護整合層の上面と同レベルにおける超音波の位相とが一致している。このような位相の一致が生じしたとき、超音波の送受信感度が最大化される。なお、このような位相の完全な一致が生じない場合でも、位相のずれが少なく設定されると、超音波の送受信感度は従来よりも充分に向上される。位相のずれは、超音波伝搬媒体における超音波波長の1/4以下に調節されていることが好ましく、1/8以下に調節されていることが更に好ましい。
FIG. 23 is a cross-sectional view schematically showing the phase of the ultrasonic wave when the time t2 is 1 / f [second]. In this figure, the phase of the ultrasonic wave on the upper surface of the
音響整合層25の厚さL1および保護整合層24の厚さL3を、それぞれ、音響整合層25および保護整合層24における超音波波長の1/4程度に制御するだけでは、L2の大きさは(L3−L1)として一義的に決まるため、t2を任意に設定することができない。このため、時間t2が所望の大きさになるようにするには、音響整合層25や保護整合層24の厚さだけではなく、音響整合層25や保護整合層24における音速を適切に制御する必要がある。本発明の好ましい実施形態では、音響整合層25を音速の制御が容易な乾燥ゲルから形成する。
By simply controlling the thickness L1 of the
次に、図24(a)から(c)を参照しながら、本実施形態の超音波送受波器21の製造方法の実施形態を説明する。本実施形態においては、超音波伝搬媒体26として空気(密度:1.18kg/m3、音速:約340m/s、音響インピーダンス約4.0×102kg/m2/s)を考える。
Next, an embodiment of a method of manufacturing the
まず、図24(a)に示すように、送受信する超音波の波長に合わせた圧電体22を用意する。この段階の圧電体22には、図24(a)に示す保護整合層24は設けられていない。圧電体22としては、圧電セラミックスや圧電単結晶など圧電性の高い材料が好ましい。圧電セラミックスとしては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛などを用いることができる。圧電単結晶としては、チタン酸ジルコン酸鉛単結晶、ニオブ酸リチウム、水晶などを用いることができる。
First, as shown in FIG. 24A, a
本実施形態では、圧電体22としてチタン酸ジルコン酸鉛セラミックスを用い、送受信する超音波の波長を500kHzに設定している。このような超音波を圧電体22が効率よく送受信できるようにするため、圧電体22の共振周波数を500kHzに設計する。このため本実施形態では、直径が12mm、厚さが約3.8mmの円柱形状を有する圧電セラミックスから形成された圧電体22を用いている。圧電体22の両面には銀の焼付けによる電極23a、23bが形成され、この方向に分極処理が施されている。
In the present embodiment, the
次に、保護整合層24としての機能する3つのリング状部材を用意し、図24(a)に示すように圧電体22の主面に接合する。このとき、図21に示すように、リング状部材の各中心が圧電体22の中心に揃うようにする。保護整合層24としての機能する3つのリング状部材は、それぞれ、外径12mm、内径11mm、厚さ1.0mmの第1リング状部材、外径8mm、内径7mm、厚さ1.0mmの第2リング状部材、および、外径4mm、内径3mm、厚さ1.0mmの第3リング状部材である。
Next, three ring-shaped members functioning as the
本実施形態における保護整合層24には、機械的強度が高く、音響整合層を保護できる機能が求められるだけでなく、音響整合層の機能を果たすために比較的低い音響インピーダンスを有することが求められる。このような材料として、本実施形態では、多孔質体のセラミックスを用いる。この多孔質セラミックスは、見かけ密度が0.64×103kg
/m3、音速が2000m/s、音響インピーダンスが約1.28×106kg/m3であ
る。セラミックスとしては、チタン酸バリウム系の材料を用いている。なお、「見かけ密度」とは、多孔質体に含まれる空間部分をも含んだ密度である。多孔質セラミックスは、体積の約80%程度が空間部分であり、セラミックスの実体部分は約20体積%である。
The
/ M 3 , the sound speed is 2000 m / s, and the acoustic impedance is about 1.28 × 10 6 kg / m 3 . As the ceramic, a barium titanate-based material is used. The “apparent density” is a density including a space portion included in the porous body. About 80% of the volume of the porous ceramic is a space portion, and the substantial portion of the ceramic is about 20% by volume.
上述のように、保護整合層24の音速が約2000m/sであるため、500kHzにおける波長の1/4の厚さは1.0mmに相当する。このため、本実施形態では保護整合層24として機能するリング状部材の厚さを1.0mmに設定している。
As described above, since the sound speed of the
本実施形態で用いる多孔質セラミックスは、次のようにして作製され得る。 The porous ceramic used in the present embodiment can be manufactured as follows.
まず、樹脂製の微小なボールとセラミックス粉末を混合、加圧成形する。その後、セラミックスを焼結する。この焼結過程において、樹脂ボールは加熱され、燃焼して除去される。焼結に際して、加熱を急激に行うと、樹脂ボールが膨張または急激なガス化を起こし、セラミックス構造体を破壊してしまうおそれがある。このため、焼結は緩やかな加熱によって行うことが好ましい。 First, fine resin balls and ceramic powder are mixed and pressed. Thereafter, the ceramic is sintered. During this sintering process, the resin balls are heated, burned and removed. If heating is performed rapidly during sintering, the resin balls may expand or suddenly gasify, and the ceramic structure may be destroyed. For this reason, sintering is preferably performed by gentle heating.
本実施形態では、このような多孔質セラミックスから形成したの保護整合層24と圧電体22とを接着剤による接着によって接合する。例えば、接着剤としてはエポキシ系樹脂を用い、0.1MPa程度の圧力をかけながら、150℃の恒温槽中で2時間程度放置すると、接着剤は硬化し、保護整合層24と圧電体22とが接合する。
In the present embodiment, the
次に、こうして形成した圧電体22/保護整合層24からなる複合体上に、図24(b)に示すように音響整合層25を設ける。本実施形態では、音響整合層25を乾燥ゲルから形成する。
Next, as shown in FIG. 24B, an
本実施形態では、まず、図24(b)に示す厚さの音響整合層25を形成した後、図24(c)に示すように音響整合層25を薄くする。このとき、図20に示す距離L2(=L3−L1)が空気中に超音波の1波長に等しくなるように、保護整合層24の厚さL3および音響整合層の厚さL1を設定する。具体的には、送受信する超音波の周波数が500kHであるので、この超音波の空気中における1波長は、0.62mmである。一方、保護整合層24の厚さL3は1.0mmであるため、音響整合層25の厚さL1は、0.32mm(=1.0mm−0.62mm)となる。また、音響整合層25が音響整合層として適切に機能するためには、この厚さL1(=0.32mm)が音響整合層25を伝搬する超音波の波長の1/4となることが最も望ましい。従って、0.32mmが送受信する超音波の波長の1/4となるような音速を有する材料特性を有することが必要となる。計算によれば、音速が640m/sとなるような乾燥ゲルから厚さ0.32mmの音響整合層25を形成すれば良い。
In the present embodiment, first, after the
なお、保護整合層24の厚さは、保護整合層24における超音波波長の1/4であることが好ましいが、その大きさに限定されるわけではない。超音波波長の1/8以上1/3以下の範囲であれば良く、超音波波長の1/6以上1/4以下の範囲であることが更に好ましい。超音波の波長に分布がある場合、ピーク波長を基準にして厚さを決定することが好ましい。本明細書においては、波長に分布がある場合、「波長の1/4」とは「ピーク波長の1/4」を意味するものとする。
The thickness of the
音響整合層25が単層である場合、音響整合層25の厚さも、音響整合層25における超音波波長の1/4であることが好ましいが、その大きさに限定されるわけではない。超音波波長の1/8以上1/3以下の範囲であれば良く、超音波波長の1/6以上1/4以下の範囲であることが更に好ましい。音響整合層が多層構造を有している場合、各構成層が上記の厚さを有していることが好ましい。音響整合層が多層構造を有している超音波送受波器は、実施形態2として後述する。
When the
音響整合層25を構成する乾燥ゲルの材質としては、無機材料、有機高分子材料など様々な材料を用いることができる。無機材料の固体骨格部としては、酸化ケイ素(シリカ)、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化チタンなどを用いることができる。また有機材料の固体骨格部としては、一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができ、例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール樹脂、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸メチルなどを用いることができる。
Various materials such as an inorganic material and an organic polymer material can be used as the material of the dried gel forming the
本実施形態では、音響整合層25の材料として、コスト、環境安定性、製造のしやすさ、超音波送受波器の安定な温度特性などの観点から、固体骨格部として酸化ケイ素(シリカ)を持つ乾燥ゲルを採用する。
In this embodiment, silicon oxide (silica) is used as the solid skeleton as the material of the
640m/sの音速は、乾燥ゲルの音速としては比較的高い値である。このため、本実施形態では、音響整合層25として乾燥ゲル層を形成する際に、ゲル化工程(以下、「第1ゲル化工程」と称する。)に引き続いて乾燥工程を行う従来の製造方法ではなく、第1ゲル化工程後に第2ゲル化工程を行う方法を採用する。
The sound speed of 640 m / s is a relatively high value as the sound speed of the dried gel. For this reason, in the present embodiment, when a dry gel layer is formed as the
第2ゲル化工程を行わずに第1ゲル化工程だけを行う場合は、相対的に高い音速を示す乾燥ゲルを得ることが困難である。なお、乾燥ゲルの密度は、音速と略比例して高くなるため、「高い音速」は「高い密度」を意味する。ゲルの音速を高くする目的で、ゲル原料液中におけるゲル原料の濃度を高くすると、ゲル化反応が均一に進行せず、ランダムな音速分布を持つ湿潤ゲルが形成される。この湿潤ゲルを乾燥することによって得られる乾燥ゲルも、ランダムな密度分布を持つこととなる。このため、ゲル原料液中におけるゲル原料の濃度を高くすると、音速を均一化することは極めて難しくなる。 When only the first gelation step is performed without performing the second gelation step, it is difficult to obtain a dried gel having a relatively high sound speed. Since the density of the dried gel increases substantially in proportion to the speed of sound, “high sound speed” means “high density”. When the concentration of the gel raw material in the gel raw material liquid is increased for the purpose of increasing the sound speed of the gel, the gelling reaction does not proceed uniformly, and a wet gel having a random sound speed distribution is formed. The dried gel obtained by drying this wet gel also has a random density distribution. Therefore, if the concentration of the gel raw material in the gel raw material liquid is increased, it is extremely difficult to make the sound speed uniform.
本実施形態では、ゲルの不均一化を避けるため、第1ゲル化工程で形成する乾燥ゲルの音速は200m/s程度以下に調節し、第2ゲル化工程によって密度を更に上昇させ、均一に音速を上昇させる。第2ゲル化工程では、第1ゲル化工程で得られた湿潤ゲルを再びゲル原料液(第2ゲル化原料液)に浸漬する処理を行う。そして、第2ゲル化工程では、第2ゲル化原料液中の触媒となるアンモニアの濃度を低く調整する。このため、第1ゲル化工程で得られた湿潤ゲルの外ではゲル化が起こらない。しかし、第1ゲル化工程で得られた湿潤ゲルの内部では、第1ゲル化工程で形成された骨格に第2ゲル化原料液が付着していくように成長する。このため、ゲル原料液自体がゲル化しない条件においても、この反応は進行する。このようにしてゲルの音速、密度を変化させることが可能となる。 In the present embodiment, in order to avoid non-uniformity of the gel, the speed of sound of the dried gel formed in the first gelation step is adjusted to about 200 m / s or less, and the density is further increased by the second gelation step, so that the uniformity is obtained. Increase the speed of sound. In the second gelling step, the wet gel obtained in the first gelling step is again immersed in the gel raw material liquid (second gelling raw material liquid). In the second gelling step, the concentration of ammonia serving as a catalyst in the second gelling raw material liquid is adjusted to be low. Therefore, gelation does not occur outside the wet gel obtained in the first gelation step. However, inside the wet gel obtained in the first gelling step, the second gelling raw material liquid grows so as to adhere to the skeleton formed in the first gelling step. Therefore, the reaction proceeds even under conditions where the gel raw material liquid itself does not gel. In this way, the sound speed and density of the gel can be changed.
具体的には、以下に示す工程を行うことにより、乾燥ゲルによる音響整合層25を形成する。
Specifically, by performing the following steps, the
工程1: 第1ゲル化ゲル原料液の用意
テトラエトキシシラン/エタノール/水/塩化水素を、モル比で1/2/1/0.00078で混合して、65度の恒温槽中で3時間、テトラエトキシシランの加水分解を進行させる。更に、水/NH3を、2.5/0.0057の割合(テトラエトキシシランに対
するモル比)を加えて混合したゲル原料液を用意する。
Step 1: Preparation of first gelled gel raw material liquid Tetraethoxysilane / ethanol / water / hydrogen chloride were mixed at a molar ratio of 1/2/1 / 0.000078 in a 65 ° C. constant temperature bath for 3 hours. Promotes the hydrolysis of tetraethoxysilane. Further, a gel raw material liquid is prepared by adding water / NH 3 at a ratio of 2.5 / 0.0057 (molar ratio to tetraethoxysilane) and mixing.
工程2: 第1ゲル化工程
上記のようにして調整したゲル原料液(第1ゲル化原料液)を、圧電体22と保護整合層24で形成された空間に滴下する。この際、一番外側の保護整合層24の外周にテフロン製のシートを巻きつけ、ゲル原料液がこぼれないように枠を形成する。
Step 2: First gelling step The gel raw material liquid (first gelling raw liquid) adjusted as described above is dropped into a space formed by the
ゲル原料液を滴下したサンプルを恒温槽中で水平を保ちながら50℃で約1日放置する。こうして、圧電体22と保護整合層24とによって形成された空間内に供給されたゲル原料液がゲル化し、湿潤ゲルを形成する。
The sample to which the gel raw material liquid has been dropped is left at 50 ° C. for about 1 day while keeping the sample horizontal in a thermostat. Thus, the gel raw material liquid supplied into the space formed by the
工程3: 第2ゲル化工程(音速、密度の調整)
第1ゲル化工程で得られた音響整合層に対して、そのまま乾燥工程を行った場合、密度は2.0×102kg/m3程度、音速は200m/s程度となる。本実施形態では、音速、密度を更に高くする目的で第2ゲル化工程を行う。
Step 3: Second gelation step (adjustment of sound speed and density)
When the acoustic matching layer obtained in the first gelation step is directly subjected to the drying step, the density is about 2.0 × 10 2 kg / m 3 and the sound speed is about 200 m / s. In the present embodiment, the second gelation step is performed for the purpose of further increasing the speed of sound and the density.
まず、第1ゲル化工程で得られた湿潤ゲルをエタノールで洗浄し、第2ゲル化原料液を準備する。第2ゲル化原料液として、テトラエトキシシラン/エタノール/0.1規定アンモニア水を、体積比で60/35/5を混合したものを用いる。 First, the wet gel obtained in the first gelling step is washed with ethanol to prepare a second gelling raw material liquid. As the second gelling raw material liquid, a mixture of tetraethoxysilane / ethanol / 0.1N aqueous ammonia mixed at a volume ratio of 60/35/5 is used.
第1ゲル化工程で得られた圧電体22/湿潤ゲル/保護整合層24からなる複合体を密閉容器中の第2ゲル化原料液に浸漬し、70℃の恒温槽中で約48時間放置する。この第2ゲル化工程により第1ゲル化工程で得られたゲル骨格が成長し、密度、音速が高くなる。
The composite comprising the
工程4: 疎水化工程
疎水化工程は、必ずしも必要ではないが、吸湿により性能が劣化することがあるため、行うことが好ましい。疎水化工程は、第2ゲル化工程の後、湿潤ゲル内に残留している、第2ゲル化原料液をエタノールにより置換・洗浄した後、ジメチルジメトキシシラン/エタノール/10重量%アンモニア水を、重量比で45/45/10の割合で混合して得られた疎水化液に、40℃で、約1日間、浸漬することによって、疎水化工程を行う。
Step 4: Hydrophobizing Step The hydrophobizing step is not always necessary, but is preferably performed because performance may be degraded due to moisture absorption. In the hydrophobizing step, after the second gelling step, the second gelling raw material liquid remaining in the wet gel is replaced and washed with ethanol, and then dimethyldimethoxysilane / ethanol / 10% by weight ammonia water is added. The hydrophobizing step is carried out by immersing in a hydrophobizing liquid obtained by mixing at a weight ratio of 45/45/10 at 40 ° C. for about 1 day.
工程5: 乾燥工程
以上の工程で得られた湿潤ゲルから、乾燥ゲルを得るために、乾燥工程を行う。本実施形態では、乾燥方法として、超臨界乾燥法を用いる。乾燥ゲルは前述のように、非常に小さなナノメートルサイズ程度の多孔質体であり、骨格部分の太さや、結合の強さ、空孔の大きさによっては、湿潤ゲルから乾燥ゲルへの溶媒乾燥の際に、溶媒の表面張力によって、破壊されてしまうことがある。
Step 5: Drying Step In order to obtain a dry gel from the wet gel obtained in the above steps, a drying step is performed. In this embodiment, a supercritical drying method is used as the drying method. As described above, dry gel is a very small porous material with a nanometer size. Depending on the thickness of the skeleton, the strength of the bond, and the size of the pores, the solvent is dried from the wet gel to the dry gel. In such a case, it may be destroyed by the surface tension of the solvent.
このため、表面張力の働かない超臨界乾燥法が有用に利用することができる。具体的には、上述の疎水化液をエタノールで置換した後、以上の工程で得られた圧電体22/湿潤ゲル/保護部研音響整合層25の複合体を耐圧容器に入れて、湿潤ゲル内のエタノールを液化二酸化炭素に置換する。
For this reason, the supercritical drying method in which surface tension does not work can be used effectively. Specifically, after replacing the above-mentioned hydrophobizing liquid with ethanol, the composite of the
更に容器内にポンプで液化二酸化炭素を送り込むことにより、容器内の圧力を10MPaまで上昇させる。その後、50℃まで昇温することで容器内を超臨界状態とした。次に温度を50℃に保ったまま、圧力をゆっくり開放することで乾燥を完了する。 Further, by pumping liquefied carbon dioxide into the container, the pressure in the container is increased to 10 MPa. Thereafter, the inside of the container was brought into a supercritical state by raising the temperature to 50 ° C. Next, while maintaining the temperature at 50 ° C., the pressure is slowly released to complete the drying.
工程6: 厚さ調整工程
こうして形成した乾燥ゲル層を、旋盤によりその厚さを0.32mmとなるように音響整合層25のみの部分を研削した。
Step 6: Thickness Adjusting Step The dry gel layer thus formed was ground by a lathe so that only the
このようにして得られた音響整合層25を形成する乾燥ゲルの密度は、約0.6×103kg/m3であり、音速は約640m/sとなる。また保護整合層24の一部に、音響整合層25となる乾燥ゲルが浸透しているが、保護整合層24の音速には影響を与えない。
The density of the dried gel forming the
乾燥ゲルから音響整合層を形成する工程の前に、電極23bと音響整合層25との密着性が良くなるように電極23bの表面を処理することが好ましい。表面処理によって電極23bと音響整合層25との密着性が増すと、信頼性が更に向上する。このような表面処理としては、乾燥ゲルと化学的な結合をしやすい圧電体表面の電極に水酸基が付与されるようなプラズマ処理などを採用することができる。あるいは、電極23bの表面に物理的な凹凸を形成することによってアンカー効果を付与することも有効である。具体的には、化学的および/または物理的なエッチング処理を好適に採用することができる。
Before the step of forming the acoustic matching layer from the dried gel, it is preferable to treat the surface of the
本実施形態では、音響整合層25となるゲルを形成した後、旋盤による研削を行い、乾燥ゲルの厚さを調整する。厚さの調節は、第1ゲル化工程の際に滴下する第1ゲル化原料液の量(高さ)を調整することによって行ってもよい。この場合には、形成される音響整合層の厚さが最終的に0.32mm程度となるように、33.9μLのゲル原料液をマイクロピペットで正確に量り取り、圧電体22上に滴下する。保護整合層24が80%の空隙を有する多孔質体であるため、多孔質体に吸収される体積を換算して滴下量を計算する必要がある。
In the present embodiment, after forming the gel to be the
このようにして製造した超音波送受波器の送受信波形を図25に示す。図25において、本実施形態の超音波送受波形は実線で示され、保護部と音響整合層25とが同じ厚さを有する超音波送受波器(比較例)の超音波送受信波形は点線で示されている。図25からわかるように、本実施形態によれば、信号の振幅が増加する。
本発明の構造を用いることで高感度化を達成できる。
FIG. 25 shows transmission / reception waveforms of the ultrasonic transducer thus manufactured. In FIG. 25, the ultrasonic transmission / reception waveform of the present embodiment is indicated by a solid line, and the ultrasonic transmission / reception waveform of the ultrasonic transmitter / receiver (comparative example) in which the protection unit and the
High sensitivity can be achieved by using the structure of the present invention.
本実施形態では、保護整合層24の上面と同一レベルの位置における超音波の位相を揃えるため、音響整合層25および伝搬媒体26を伝搬してきた超音波が、保護整合層24を伝搬してきた超音波に比べて、ちょうど波長分だけ位相の遅れを生じるようにしている。さらに大きな音速を有する材料から保護整合層24を形成する場合や、保護整合層24の厚さL3を大きく設定する場合には、伝搬媒体26による位相遅れを超音波波長の2波長以上に設定してもよい。
In the present embodiment, in order to align the phases of the ultrasonic waves at the same level as the upper surface of the
(実施形態11)
次に、図26を参照しながら、本発明の超音波送受波器の第11の実施形態を説明する。本実施形態の主な特徴点は、音響整合層が下層の第1音響整合層25aおよび上層の第2音響整合層25bを含む積層構造を有している点である。
(Embodiment 11)
Next, an eleventh embodiment of the ultrasonic transducer according to the present invention will be described with reference to FIG. The main feature of this embodiment is that the acoustic matching layer has a laminated structure including a lower first
音響整合層25が2層構造を有する場合にも、各音響整合層25a、25bの厚さのそれぞれを、各音響整合層における超音波波長の1/4程度に設定することが好ましい。
Even when the
本実施形態でも、第10の実施形態と同様に、保護整合層24の上面と同一レベルの位置において超音波の位相を揃えるため、音響整合層25および伝搬媒体26を伝搬してきた超音波が、保護整合層24を伝搬してきた超音波に比べて、超音波波長の略整数倍分だけの位相の遅れを生じるようにしている。
Also in the present embodiment, as in the tenth embodiment, in order to align the phases of the ultrasonic waves at the same level as the upper surface of the
図26に示す構成では、超音波が保護整合層24を伝播して保護整合層24の上面に達したとき、その超音波と同位相の超音波は第1音響整合層と第2音響整合層25bの境界面に達している。これは、第1音響整合層25aの音速が保護整合層24における音速よりも小さいためである。超音波が第1音響整合層25aの上面から第2音響整合層25bの上面に達するまでに、更に1/4f[秒]の時間がかかる。このため音響整合層25bの上面から伝搬媒体26を伝搬して保護整合層24の上面と同じレベルに達するまでの時間が3/4f[秒]となるように設定すると、保護整合層24の上面レベルで位相が揃う。このような構成を採用すると、音響整合層25aおよび25bを透過して放射された超音波と、保護整合層24を透過して放射された超音波との間に、1波長分のずれが生じ、両超音波が干渉して強め合うため、超音波の振幅が大きくなる。
In the configuration shown in FIG. 26, when the ultrasonic wave propagates through the
本実施形態における音響整合層25a、25bの製造方法を説明する。 A method for manufacturing the acoustic matching layers 25a and 25b in the present embodiment will be described.
まず、第10の実施形態における音響整合層25の製造方法と同様にして、保護整合層24を作製する。保護整合層24の材料として多孔質セラミックスを用い、その厚さ(L7)を1.0mmに設定する。
First, the
本実施形態では、空気などの伝搬媒体26を伝搬する時間が3/4f[秒]となるように、第2音響整合層25bの上面から保護整合層24の上面レベルまでの距離(L6)を0.51mmに設定する。この結果、第1音響整合層25aと第2音響整合層25bの合計厚さ(L4+L5)は、0.49mmに等しくなる。
In the present embodiment, the distance (L6) from the upper surface of the second
本実施形態では、第2音響整合層25bの音速を200m/sに設定すると、第2音響整合層25bの厚さ(L5)は0.10mmに設定することが好ましい。L5=0.10mmとすると、第1音響整合層25aの厚さ(L4)は0.39mm(=0.49mm−0.10mm)となる。第1音響整合層25aの厚さが第1音響整合層25aにおける超音波の1/4波長に相当するようにするには、第1音響整合層25aの音速を780m/sにする必要がある。
In this embodiment, when the sound speed of the second
次に、上記のような2層の音響整合層25a、25bの作製方法を説明する。この方法で特徴的な点は、第10の実施形態で行った第2ゲル化工程を2度行うことにある。すなわち、本実施形態では、第1ゲル化工程で形成された湿潤ゲルの外側ではゲル化をしない第2ゲル化工程(第2−1ゲル化工程)を行った後に、湿潤ゲルの外側でもゲル化が生じる第2ゲル化工程(第2−2ゲル化工程)を行う。 Next, a method of manufacturing the two acoustic matching layers 25a and 25b as described above will be described. The feature of this method is that the second gelation step performed in the tenth embodiment is performed twice. That is, in this embodiment, after performing the second gelation step (2-1 gelation step) in which gelation is not performed outside the wet gel formed in the first gelation step, the gel is also formed outside the wet gel. A second gelation step (2-2nd gelation step) in which gelation occurs is performed.
本実施形態では、まず、第10の実施形態で行った工程1〜工程6と同様の工程を行うことにより、第1音響整合層25aを形成する。ただし、このときの第2ゲル化工程は、第2−1ゲル化工程である。
In the present embodiment, first, the first
この後に行う第2−2ゲル化工程における音響インピーダンスの増加を見込み、第2−1ゲル化工程では、第1音響整合層25aの密度約0.5×103kg/m3、音速500m/s程度となるように処理時間を調節する。本実施形態では、処理時間を第10の実施形態における第2ゲル化工程の処理時間よりも短縮し、約36時間に設定する。
It is anticipated that the acoustic impedance will increase in the 2-2 gelation step performed thereafter, and in the 2-1 gelation step, the density of the first
次に、第2−2ゲル化工程を行うことにより、第1音響整合層25aの音響インピーダンスを増加ざせるとともに、第1音響整合層25aの上部に第2音響整合層25bを形成する。この第2−2ゲル化工程は、具体的には、以下のようにして行った。
Next, by performing a 2-2 gelling step, the acoustic impedance of the first
第2−2ゲル化工程:
まず、第2−2ゲル化原料液として、テトラエトキシシラン/エタノール/0.05規定アンモニア水をモル比で、1/4/3の割合で混合した液を用意する。この第2−2ゲル化原料液を、第1音響整合層25aと保護整合層24によって形成された空間内に充填する。次に、このまま室温で約24時間放置することにより、ゲル化を完了する。こうして、第1音響整合層25aの音響インピーダンスを調整するとともに、第2音響整合層25bとなる湿潤ゲルを形成する。
2-2 gelation step:
First, a liquid obtained by mixing tetraethoxysilane / ethanol / 0.05N aqueous ammonia at a molar ratio of 1/4/3 is prepared as a 2-2 gelling raw material liquid. The 2-2 gelling raw material liquid is filled in a space formed by the first
この後、第10の実施形態と同様にして、疎水化工程、乾燥工程、および厚さ調整工程を行うことにより、音響整合層25a、25bを完成する。本実施形態における音響整合層25a、25bは、以下のように特徴付けられる。 Thereafter, the acoustic matching layers 25a and 25b are completed by performing a hydrophobicizing step, a drying step, and a thickness adjusting step in the same manner as in the tenth embodiment. The acoustic matching layers 25a and 25b in the present embodiment are characterized as follows.
第1音響整合層25a
密度:0.7×103kg/m3、音速:780m/s
音響インピーダンス:5.46×105kg/m2/s
厚さ:0.39mm
第2音響整合層25b
密度:0.2×103kg/m3、音速:200m/s
音響インピーダンス:4.0×104kg/m2/s
厚さ:0.10mm
First
Density: 0.7 × 10 3 kg / m 3 , speed of sound: 780 m / s
Acoustic impedance: 5.46 × 10 5 kg / m 2 / s
Thickness: 0.39mm
Second
Density: 0.2 × 10 3 kg / m 3 , Speed of sound: 200 m / s
Acoustic impedance: 4.0 × 10 4 kg / m 2 / s
Thickness: 0.10mm
本実施形態の超音波送受信器の送受信波形を図27に示す。図27において、本実施形態の超音波送受波器の超音波送受波形は実線で示され、音響整合層と保護整合層の厚さを等しくした超音波送受波器(比較例)の送受波形形は点線で示される。図27からわかるように、本実施形態の超音波送受波器によれば、高感度化を実現することができる。 FIG. 27 shows transmission / reception waveforms of the ultrasonic transceiver of the present embodiment. In FIG. 27, the ultrasonic transmission / reception waveform of the ultrasonic transmission / reception device of the present embodiment is shown by a solid line, and the transmission / reception waveform shape of the ultrasonic transmission / reception device (comparative example) in which the acoustic matching layer and the protective matching layer have the same thickness. Is indicated by a dotted line. As can be seen from FIG. 27, according to the ultrasonic transducer of the present embodiment, high sensitivity can be realized.
本実施形態では、音響整合層25を2層とした構成としたが、3層以上としても、保護整合層24の上面部分で、超音波の位相が揃うように設計することで同様の効果が得られる。
In this embodiment, the
(実施形態12)
図28を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第12の実施形態を説明する。本実施形態の特徴的な点は、第1音響整合層25aと保護整合層24とが、同じ材料によって一体的に形成されている点にある。第1音響整合層25aの上部には乾燥ゲルから形成した第2音響整合層25bが形成されている。
(Embodiment 12)
A twelfth embodiment of the ultrasonic transducer according to the present invention will be described with reference to FIG. A feature of the present embodiment is that the first
本実施形態では、第1音響整合層25aおよび保護整合層24における超音波の音速や波長が等しく、しかも、保護整合層24の厚さL11を超音波の1/4波長に設定する。このため、第1音響整合層25aの厚さL8は超音波の1/4波長よりも小さい。第1音響整合層25aの厚さL8は、第2音響整合層25bの厚さL9と、第2音響整合層25bの上面から保護整合層24の上面レベルまでの距離L10によって決まる。
In the present embodiment, the sound speed and the wavelength of the ultrasonic waves in the first
本実施形態においても、音響整合層25aおよび5bを透過して放射された超音波と、保護整合層24を透過して放射された超音波との間に、超音波波長の整数倍の位相遅れが生じる構成を採用している。このため、保護整合層24の上面レベルにおいて、音響整合層25a、25bおよび伝搬媒体26を伝搬してきた超音波の位相が揃う。
Also in this embodiment, the phase lag between the ultrasonic wave radiated through the acoustic matching layers 25a and 5b and the ultrasonic wave radiated through the
音響整合層25a、25bを透過してきた超音波の感度を高めるには、第1音響整合層25aの厚さよりも第2音響整合層25bの厚さが重要である。本実施形態では、第2音響整合層25bの厚さは、送受信する超音波の波長の約1/4に設定する。第1音響整合層25aの厚さも、感度に影響を与えるが、その影響の多くは周波数の比帯域に及ぶ。
The thickness of the second
このため、本実施形態では、まず材質の機械的強度などの点から、第2音響整合層25bを構成しうる乾燥ゲル層の特性を決定する。次に、保護整合層24と同じ材料から形成する第1音響整合層25aの厚さL8と、音波伝搬媒体の厚さL10とを設定する。
For this reason, in the present embodiment, first, the characteristics of the dried gel layer that can constitute the second
本実施形態では、保護整合層24の材料として、前述の実施形態と同様に多孔質セラミックスを用い、その厚さ(L11)を超音波波長の1/4に設定する。すなわち、L11を1.0mmに設定する。この場合、上記の多孔質セラミックスから形成される第1音響整合層25aの音速は200m/s、密度は0.2×103kg/m3となる。乾燥ゲルから形成する第2音響整合層25bの厚さを超音波波長の1/4に設定するため、L9を0.10mmとする。
In this embodiment, a porous ceramic is used as the material of the
このとき、以下の式7が成立する。
At this time, the following
L8+L10=0.9[mm]・・・(7) L8 + L10 = 0.9 [mm] (7)
式7は、L11を1.0mm、L9を0.1mmに設定したことから導かれる。
優れた特性を発揮するには、以下の式が成立することが好ましい。 In order to exhibit excellent characteristics, it is preferable that the following expression is satisfied.
L8/1+L10/(17/25)=1[波長]・・・(8) L8 / 1 + L10 / (17/25) = 1 [wavelength] (8)
本実施形態では、周波数が500kHzの超音波を送受信するため、音響整合層25aにおける超音波の1波長は1.0mm、音波伝搬媒体26における超音波の1波長は17/25mmとなる。式8は、超音波の1波長に対する第1音響整合層25aの厚さL8の比率と、超音波の1波長に対する伝搬媒体26の厚さL10の比率との和である。式8を満足するということは、超音波が第1音響整合層25aおよび音波伝搬媒体26を透過する際に1波長だけ進むことを意味している。言い換えると、超音波が感じる第1音響整合層25aおよび音波伝搬媒体26の実効的な厚さが1波長分であることを意味する。
In this embodiment, since an ultrasonic wave having a frequency of 500 kHz is transmitted and received, one wavelength of the ultrasonic wave in the
式7および式8を満足するL8およびL10を算出すると、L8=約0.69mm、L10=0.21mmとなる。
When L8 and L10
次に、図29(a)から(d)を参照しながら、本実施形態の超音波送受波器の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the ultrasonic transducer according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図29(a)に示すように、多孔質セラミックスからなる厚さ1.0mmのペレットを用意し、このペレットを図29(b)に示すように加工する。本実施形態では、ペレットの上面に溝を形成し、溝底部の厚さを0.69mmに調節する。この溝底部が第1音響整合層25aとして機能する部分である。溝は図21に示すようにリング状に形成する。
First, as shown in FIG. 29A, a 1.0 mm-thick pellet made of porous ceramics is prepared, and this pellet is processed as shown in FIG. 29B. In the present embodiment, a groove is formed on the upper surface of the pellet, and the thickness of the groove bottom is adjusted to 0.69 mm. The bottom of the groove is a portion that functions as the first
次に、図29(c)に示すように、溝の内部に第2音響整合層25bを形成する。音響整合層25bの厚さが0.1mmになるようにする。保護整合層24/音響整合層25a、25bの複合体を、図29(d)に示すように、圧電体22に接合し、超音波送受波器21を形成する。
Next, as shown in FIG. 29C, a second
第1音響整合層25bは、テトラメトキシシラン/エタノール/0.05規定アンモニア水をモル比で、1/7/4の割合で混合した液を用いて、実施形態1と同様にして第1ゲル化工程を行うことによって形成する。
The first
保護整合層24/音響整合層25a、25bからなる複合体の圧電体への接着は、実施形態1と同様に、エポキシ系の接着剤によって行うことができる。
The composite including the
本実施形態によれば、保護整合層24と音響整合層25aを一括的に形成できるため、製造工程を簡単にし、製造コストを低減できる。
According to the present embodiment, since the
(実施形態13)
図30を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第13の実施形態を説明する。本実施形態に特徴的な点は、構造支持体を有している点である。
(Embodiment 13)
A thirteenth embodiment of the ultrasonic transducer according to the present invention will be described with reference to FIG. A feature of the present embodiment is that it has a structural support.
本実施形態の超音波送受波器は、圧電体22と第1音響整合層25や保護整合層24との間に構造支持体27を有している点を除けば、実施形態1の超音波送受波記録媒体の構成と同様の構成を有している。
The ultrasonic transducer according to the first embodiment has the
構造支持体27は音響整合層25などが固定される円盤状支持部と、この円盤状支持部から軸方向に連続的に伸びる円筒部とを備えている。円筒部の端面は、断面がL字型に折れ曲がり、圧電体22の遮蔽のためのプレート(不図示)や、他の装置などに固定しやすくなっている。
The
構造支持体27の表面には音響整合層25や保護整合層24が配置されており、支持部裏面には圧電体22が配置されている。このような構造支持体27を用いることにより、超音波送受波器の取り扱いが極めて容易となる。
The
構造支持体は、密閉可能な容器(センサケース)から構成することができる。この場合、構造支持体27の円筒部の開放端を遮蔽プレートなどで塞ぎ、かつ、構造支持体27の内部を不活性ガスで満たせば、流量測定の対象とする流体から圧電体22を遮断することができる。
The structural support can be composed of a sealable container (sensor case). In this case, if the open end of the cylindrical portion of the
圧電体22には電圧が印加されるため、可燃性ガスなどと圧電体が接すると、可燃性ガスに引火する危険性もある。しかし構造支持体27を密閉性の容器から構成し、圧電体22のある内部を外部流体などと遮断することによって、そのような引火を防止して、可燃性ガスなどに対しても安全に超音波を送受波することができる。
Since a voltage is applied to the
また可燃性ガスでなくとも、圧電体22と反応し、圧電体22に特性の劣化を与える可能性のあるガスとの間で超音波を送受波する場合でも、圧電体22が外部ガスから遮断することが好ましい。そうすることにより、圧電体22の劣化を防止し、長期間に渡って信頼性の高い動作を実現することが可能となる。
Further, even if the
構造支持体27のうち、圧電体22と音響整合層25や保護整合層24との間に位置する部分は音響整合層として機能しない。このため、構造支持体27が音響的な阻害として働かないようにするため、構造支持体27のうち、圧電体22と音響整合層25や保護整合層24との間に位置する部分の厚さを、送受波する超音波の波長の1/8程度以下とすることが望ましい。
The portion of the
本実施形態では、構造支持体27をステンレスから形成し、上記部分の厚さを0.2mmに設定している。
In the present embodiment, the
ステンレスの音速は約5500m/秒であり、超音波の500kHzにおける波長は約11mmとなる。0.2mmの厚さは波長の約1/55に相当するため、構造支持体27の存在は殆ど音響的阻害要因にはならない。
The sound speed of stainless steel is about 5500 m / sec, and the wavelength of the ultrasonic wave at 500 kHz is about 11 mm. Since the thickness of 0.2 mm corresponds to about 1/55 of the wavelength, the presence of the
構造支持体27の材料は、ステンレスなどの金属材料に限定される物ではなく、セラミック、ガラス、樹脂などから目的に応じた材料が選択される。本実施形態では、外部の流体と圧電体を確実に分離し、構造支持体に何らかの機械的な衝撃が加わったとしても、圧電体と外部流体との接触を防止できる強度を与えるため、金属材料から構造支持体27を作製している。これにより、例えば可燃性や爆発性を有するガスを対象として超音波の送受波を行っても高い安全性を確保することができる。
The material of the
なお、安全な気体に対して超音波の送受波を行う場合には、コスト低減を目的として、樹脂などの材料からなる構造支持体を用いても良い。 When transmitting and receiving ultrasonic waves to and from a safe gas, a structural support made of a material such as a resin may be used for the purpose of cost reduction.
(実施形態14)
図31(a)および(b)を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第14の実施形態を説明する。図31(a)および(b)は、本実施形態の上面図である。
(Embodiment 14)
A fourteenth embodiment of the ultrasonic transducer according to the present invention will be described with reference to FIGS. 31 (a) and 31 (b). FIGS. 31A and 31B are top views of the present embodiment.
図21に示す例では、保護整合層24として機能する多孔質セラミック製のリング(同じ幅で直径の異なる3つのリング状部材)を用い、それらの中心が一致するように圧電体主面に配置しているが、図31(a)に示すように幅の異なるリングを用いて保護整合層24を形成しても良い。また、図31(b)に示すように、島状の保護整合層24をランダムに配置してもよい。
In the example shown in FIG. 21, a ring made of porous ceramics (three ring-shaped members having the same width and different diameters) functioning as the
保護整合層24と音響整合層25とが、超音波送受波器の主面上に規則的に配列されている場合、その主面に対して或る角度を持った方向に超音波の位相が揃い、振幅が強まる。これは、「サイドローブ」と呼ばれ、超音波計測を行う上で阻害要因となる。しかし、図31に示すように、保護整合層24の配列が周期性を持たない構成を採用することにより、サイドローブを抑制し、精度および信頼性の高い超音波計測を可能とすることができる。
When the
(実施形態15)
図32を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第15の実施形態を説明する。
(Embodiment 15)
A fifteenth embodiment of the ultrasonic transducer according to the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態の超音波送受波器は、保護整合層24の厚さが面内分布を有している点に第1の特徴点を有している。前述の各実施形態では、保護整合層24の厚さが面内で一様に設定されているが、本実施形態では、意図的に面内分布が与えられている。また、本実施形態の第2の特徴点は、圧電体22上に設けられた保護整合層24が異なる2種類の材料から形成されていることにある。
The ultrasonic transducer of the present embodiment has a first feature in that the thickness of the
本実施形態の構成によれば、異なる材料の採用および/または異なる厚さの面内分布を付与することにより、サイドローブを抑制したり、送受信する超音波の周波数を変化させて広帯域化することができる。 According to the configuration of the present embodiment, by adopting different materials and / or providing in-plane distributions of different thicknesses, it is possible to suppress side lobes or change the frequency of ultrasonic waves to be transmitted / received to broaden the band. Can be.
なお、各保護整合層24の厚さは、超音波波長の1/8以上1/3以下の範囲内に含まれていることが好ましく、超音波波長の1/6以上1/4以下の範囲内に含まれていることが更に好ましい。ただし、異なる厚さを有する保護整合層24の一部の厚さが上記の範囲から外れていてもよい。上記の範囲から外れた厚さを有する保護整合層24は、音響整合層としては機能しないため、超音波送受信の感度が低下する。しかし、音響整合層として機能しない保護層(もはや「保護整合層」とは呼べない)を圧電体上の適当な位置に置くことにより、近距離における超音波場の乱れを防止して良好な超音波計測を可能にすることができる。
The thickness of each
(実施形態16)
図33を参照しながら、本発明による超音波流量計の実施形態を説明する。
(Embodiment 16)
An embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態の超音波流量計は、流量測定部51として機能する管内を被測定流体が速度Vで流れるよう設置される。流量測定部51の管壁52には、本発明の超音波送受信器から形成した超音波送信受波器1aおよび1bが相対して配置されている。
The ultrasonic flow meter according to the present embodiment is installed so that the fluid to be measured flows at a speed V in the pipe functioning as the flow
ある時点では、超音波送受信器1aが超音波送波器として機能し、超音波送受信器1bを超音波受波器として機能するが、他の時点では、超音波送受信器1aが超音波受波器として機能し、超音波送受信器1bを超音波送波器として機能する。この切り替えは、切替回路53によって行われる。
At some point, the ultrasound transceiver 1a functions as an ultrasound transmitter and the
超音波送受信器1a、1bは、切替回路53を介して、超音波送受信器1aおよび1bを駆動する駆動回路54と、超音波パルスを検知する受信検知回路55とに接続されている。受信検知回路55の出力は、超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ56に送られる。タイマ56の出力は、流量を演算する演算部57に送られる。演算部57では、測定された超音波パルスの伝搬時間に基づいて、流量測定部51内を流れる流体の速度Vが計算され、流量が求められる。駆動回路54およびタイマ56は、制御部58に接続され、制御部58から出力された制御信号によって制御される。
The
以下、この超音波流量計の動作をより詳細に説明する。 Hereinafter, the operation of the ultrasonic flowmeter will be described in more detail.
被測定流体として、LPガスが流量測定部51を流れる場合が考える。超音波送信受波器1aおよび1bの駆動周波数を約500kHzとする。制御部58は、駆動回路54に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ56の時間計測を開始させる。駆動回路54は、送信開始信号を受けると、超音波送信受波器1aを駆動し、超音波パルスを送信する。送信された超音波パルスは流量測定部51内を伝搬して、超音波送信受波器1bで受信される。受信された超音波パルスは超音波送信受波器1bで電気信号に変換され、受信検知回路55に出力される。
It is assumed that the LP gas flows through the flow
受信検知回路55は、受信信号の受信タイミングを決定し、タイマ56を停止させる。演算部57は、伝搬時間t1を演算する。
The
次に、切替回路53により、駆動回路54および受信検知回路55に接続する超音波送信受波器1aおよび1bを切り替える。そして、再び、制御部59は駆動回路54に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ56の時間計測を開始させる。伝搬時間t1の測定と逆に、超音波送信受波器1bで超音波パルスを送信し、超音渡送信受波器1aで受信し、演算部57で伝搬時間t2を演算する。
Next, the switching
ここで、超音波送信受波器1aと超音渡送信受波器1bの中心を結ぶ距離をL、LPガスの無風状態での音速をC、流量測定部51内での流速をV、被測定流体の流れの方向と超音波送信受波器1aおよび1bの中心を結ぶ線との角度をθとする。
Here, the distance connecting the centers of the ultrasonic transmission receiver 1a and the
伝搬時間t1、t2は、それぞれ、測定によって求められる。距離Lは既知であるので、時間t1とt2を測定すれば、流速Vが求められ、その流速Vから流量を決定することができる。 The propagation times t1 and t2 are each obtained by measurement. Since the distance L is known, if the times t1 and t2 are measured, the flow velocity V is obtained, and the flow rate can be determined from the flow velocity V.
このような超音波流量計において、伝搬時間t1、t2はゼロクロス法と呼ばれる方法によって測定される。この方法では、図34(a)に示すような受信波形に対して、適切なスレッショルドレベルを設定し、そのスレッショルドレベルを超えて次に振幅が0となる点の時間を測定する。受信信号のS/Nが悪い場合、ノイズレベルによっては振幅が0となる点が時間的に変動するため、正確にt1、t2を測定することができず、正確な流量を測定することが困難になる場合がある。 In such an ultrasonic flowmeter, the propagation times t1 and t2 are measured by a method called a zero-cross method. In this method, an appropriate threshold level is set for a reception waveform as shown in FIG. 34A, and the time when the amplitude exceeds the threshold level and the amplitude next becomes 0 is measured. If the S / N of the received signal is poor, the point where the amplitude becomes 0 fluctuates with time depending on the noise level, so that t1 and t2 cannot be measured accurately, and it is difficult to measure an accurate flow rate. In some cases.
このような超音波流量計の超音波送受波器として、本発明の超音波送受信器を用いると、受信信号のS/Nが向上し、t1、t2を高い精度で測定することが可能となる。 When the ultrasonic transceiver of the present invention is used as an ultrasonic transducer of such an ultrasonic flowmeter, the S / N of a received signal is improved, and t1 and t2 can be measured with high accuracy. .
図34(b)に示すように、図34(a)の場合に比べて、受信信号の立ち上がりが遅い(狭帯域である)と、スレッショルドレベルの設定値に対して、t1、t2を測定する受信信号の山の位置が変動し、測定誤差となる可能性がある。しかし、本発明による超音波送受信器は広帯域で適切に動作するため、受信信号の立ち上がりがよく、正確な流量測定を安定的に行うことが可能となる。なお、t1、t2の値としては、他数回の測定によって得られた値の平均値を用いることが好ましい。 As shown in FIG. 34B, when the rising of the received signal is slower (narrow band) than in the case of FIG. 34A, t1 and t2 are measured with respect to the set value of the threshold level. The position of the peak of the received signal may fluctuate, resulting in a measurement error. However, since the ultrasonic transceiver according to the present invention operates properly in a wide band, the rising of the received signal is good, and accurate flow measurement can be performed stably. In addition, it is preferable to use the average value of the values obtained by several other measurements as the values of t1 and t2.
広帯域の超音波を送受信できるということは、信号の立下りも早いことを意味する。このため、測定の繰り返しを速く行った場合でも、前の送受信信号の影響を受けることが無い。その結果、測定の繰り返し周波数を高くしても、瞬時の計測を可能とするものであり、ガスもれなどを瞬時に検知することが可能となる。 Being able to transmit and receive broadband ultrasonic waves means that the signal falls quickly. Therefore, even when the measurement is repeated quickly, there is no influence of the previous transmission / reception signal. As a result, even if the measurement repetition frequency is increased, instantaneous measurement can be performed, and gas leakage and the like can be detected instantaneously.
以上の各実施形態では、最上層の音響整合層(第1音響整合層)の上面は露出しているが、この面を厚さ10μm以下の保護膜でカバーしても良い。このような保護膜は、大気と音響整合層との直接的な接触を避け、音響整合層の特性を長期にわたって保持するのに寄与する。保護膜は、例えば、アルミニウム、酸化ケイ素、低融点ガラス、高分子などの材料からなる膜(単層に限定されない)によって構成される。保護膜は、スパッタリング法やCVD法などによって堆積される。 In each of the above embodiments, the upper surface of the uppermost acoustic matching layer (first acoustic matching layer) is exposed, but this surface may be covered with a protective film having a thickness of 10 μm or less. Such a protective film avoids direct contact between the atmosphere and the acoustic matching layer, and contributes to maintaining the characteristics of the acoustic matching layer for a long time. The protective film is made of, for example, a film (not limited to a single layer) made of a material such as aluminum, silicon oxide, low-melting glass, or a polymer. The protective film is deposited by a sputtering method, a CVD method, or the like.
本発明によれば、音響インピーダンスが極めて低く、機械的強度の小さな材料から形成した薄い音響整合層を用いた高性能の超音波送受信器を実用化することが可能になる。使用時における信頼性も向上する。 According to the present invention, a high-performance ultrasonic transceiver using a thin acoustic matching layer formed of a material having extremely low acoustic impedance and low mechanical strength can be put to practical use. Reliability in use is also improved.
1 超音波送受信器
2 保護部
3 音響整合層(第1の音響整合層)
4 圧電体
5 保護部として機能する部分を備えた圧電体
6 構造支持体(圧電体容器またはケース)
7 保護部として機能する部分を備えた構造支持体
8 第2音響整合層
9 保護部として機能する部分を備えた第1音響整合層
10 背面負荷材
11 保護部として機能する部分を備えた背面負荷材
51 流量測定部
52 管壁
53 切替回路
54 駆動回路
55 受信検知回路
56 タイマ
57 演算部
58 制御部
101 超音波送受信器
102 管壁
103 超音波送受信器
104 音響整合層
105 センサーケース
106 圧電体
DESCRIPTION OF
4
Claims (56)
前記圧電体上に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層の側面の少なくとも一部に接触し、前記圧電体に対して固定された位置に設けられている保護部と、
を備えた超音波送受信器。 A piezoelectric body,
An acoustic matching layer provided on the piezoelectric body,
A protection portion that is in contact with at least a part of the side surface of the acoustic matching layer and is provided at a position fixed with respect to the piezoelectric body;
Ultrasound transceiver equipped with.
前記保護部は、前記下層音響整合層の主面から突出しており、前記音響整合層の主面を基準とする前記保護部の高さが最上層に位置する前記音響整合層の厚さを規定している請求項1に記載の超音波送受信器。 It has a lower acoustic matching layer provided between the main surface of the piezoelectric body and the acoustic matching layer,
The protection unit protrudes from the main surface of the lower acoustic matching layer, and the height of the protection unit with respect to the main surface of the acoustic matching layer defines the thickness of the acoustic matching layer positioned at the uppermost layer. The ultrasonic transceiver according to claim 1, wherein
前記保護部が前記構造支持体上に設けられている請求項1に記載の超音波送受信器。 Further comprising a structural support for supporting the piezoelectric body,
The ultrasonic transceiver according to claim 1, wherein the protection unit is provided on the structural support.
前記保護部は、前記構造支持体のプレス成形によって折り曲げられた部分によって構成されている請求項26に記載の超音波送受信器。 The structural support is formed from a pressed metal,
27. The ultrasonic transceiver according to claim 26, wherein the protection unit is configured by a portion of the structural support that is bent by press molding.
前記保護部材は前記背面負荷材上に設けられている請求項1に記載の超音波送受信器。 It further comprises a back load member arranged on the back surface of the piezoelectric body and attenuating ultrasonic waves radiated in the back direction from the piezoelectric body,
The ultrasonic transceiver according to claim 1, wherein the protection member is provided on the back load member.
請求項密度が50kg/m3以上1000kg/m3以下で、かつ、音響インピーダンスが2.5×103kg/m2/s以上1.0×106kg/m2/s以下の材料から形成された上層音響整合層と、
前記圧電体と前記上層音響整合層との間に設けられた下層音響整合層と、
前記下層音響整合層および前記圧電体を支持し、前記圧電体を超音波伝搬流体から遮蔽する構造支持体と、
を備えた超音波送受信器であって、
前記上層音響整合層の側面の少なくとも一部に接触する保護部を備えている、超音波送受信器。 A piezoelectric body that performs ultrasonic vibration,
A material having a claim density of 50 kg / m 3 or more and 1000 kg / m 3 or less and an acoustic impedance of 2.5 × 10 3 kg / m 2 / s or more and 1.0 × 10 6 kg / m 2 / s or less An upper acoustic matching layer formed,
A lower acoustic matching layer provided between the piezoelectric body and the upper acoustic matching layer,
A structural support that supports the lower acoustic matching layer and the piezoelectric body, and shields the piezoelectric body from an ultrasonic wave propagating fluid,
An ultrasonic transceiver having:
An ultrasonic transmitter / receiver, comprising: a protection portion that contacts at least a part of a side surface of the upper acoustic matching layer.
前記流量測定部に設けられ、超音波信号を送受信する一対の超音波送受信器と、
前記一対の超音波送受信器の間を超音波が伝搬する時間を計測する計測手段と、
前記計測手段からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と
を備えた超音波流量計であって、
前記一対の超音波送受信器の各々が請求項1から41のいずれかに記載された超音波送受信器である、超音波流量計。 A flow measurement unit through which the fluid to be measured flows;
A pair of ultrasonic transceivers that are provided in the flow measurement unit and transmit and receive ultrasonic signals,
Measuring means for measuring the time that ultrasonic waves propagate between the pair of ultrasonic transceivers,
An ultrasonic flowmeter comprising a flow rate calculating means for calculating a flow rate based on a signal from the measuring means,
An ultrasonic flowmeter, wherein each of the pair of ultrasonic transceivers is the ultrasonic transceiver according to any one of claims 1 to 41.
前記圧電体の主面上に音響整合層を形成し、前記音響整合層の側面の少なくとも一部を前記凸部の側面に接触させる工程(b)と、
を有する超音波送受信器の製造方法。 (A) preparing a piezoelectric body having a main surface and a convex portion received on the main surface;
(B) forming an acoustic matching layer on the main surface of the piezoelectric body and bringing at least a part of the side surface of the acoustic matching layer into contact with the side surface of the projection;
A method for manufacturing an ultrasonic transceiver having:
前記ゲル原料を乾燥させ、固化することによって前記音響整合層を形成する工程と、
を含んでいる、請求項45に記載の製造方法。 The step (b) is a step of supplying a gel raw material onto a main surface of the piezoelectric element;
Forming the acoustic matching layer by drying and solidifying the gel raw material;
The production method according to claim 45, comprising:
凹部を有し、前記下層音響整合層として機能することになる部材を用意する工程(a)と、
前記部材の凹部に、ゲル原料を供給する工程(b)と、
前記ゲル原料を乾燥させ、固化することによって前記上層音響整合層を形成する工程(c)と、
を含んでいる方法。 An upper acoustic matching layer, a piezoelectric body, and a method of manufacturing an ultrasonic transceiver including a lower acoustic matching layer provided between the upper acoustic matching layer and the piezoelectric body,
(A) preparing a member having a concave portion and functioning as the lower acoustic matching layer;
(B) supplying a gel raw material to the concave portion of the member;
(C) forming the upper acoustic matching layer by drying and solidifying the gel raw material;
The method that includes.
前記圧電体上に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層の外周面に接するように配置された保護部と、
を備えた超音波送受信器。 A piezoelectric body,
An acoustic matching layer provided on the piezoelectric body,
A protection portion disposed so as to be in contact with the outer peripheral surface of the acoustic matching layer;
Ultrasound transceiver equipped with.
前記構造支持体を挟んで対向する位置に設けられた圧電体および音響整合層と、
前記音響整合層の外周面に接するように配置された保護部と、
を備えた超音波送受信器。 A structural support;
A piezoelectric body and an acoustic matching layer provided at positions facing each other with the structural support therebetween,
A protection portion disposed so as to be in contact with the outer peripheral surface of the acoustic matching layer;
Ultrasound transceiver equipped with.
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