JP2005260409A - Ultrasonic oscillator, its fabrication process, and ultrasonic fluid measuring apparatus - Google Patents

Ultrasonic oscillator, its fabrication process, and ultrasonic fluid measuring apparatus Download PDF

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Daisuke Betsusou
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance reliability of an ultrasonic oscillator, and to provide a high reliability ultrasonic flowmeter employing it. <P>SOLUTION: Reliability is enhanced by constituting an ultrasonic oscillator 1 of a rectangular-parallelepiped piezoelectric 2, and composing a sound matching layer 3 of a porous ceramic body including organic glass. A high reliability ultrasonic flowmeter 7 is realized using that ultrasonic oscillator 1. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、流体の流速,流量を計測する超音波流体計測装置およびそれに用いる超音波振動子に関するものである。   The present invention relates to an ultrasonic fluid measurement device that measures the flow velocity and flow rate of a fluid and an ultrasonic transducer used therefor.

従来、この種の超音波振動子は、図11に示すような構成であった。図11は、超音波振動子101の外観を示し、102は正方柱状の圧電体を、103は圧電体102の一方の正方面上に設けられた音響整合層を示す。なお、圧電体102の上下面には焼付け銀からなる電極104,105が設けられている。音響整合層103は、ガラスバルーンや、プラスチックバルーンなどの空隙の多い材料と気泡などをエポキシ樹脂などに充填し、固めて使用していた(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−215594号公報
Conventionally, this type of ultrasonic transducer has a configuration as shown in FIG. FIG. 11 shows the appearance of the ultrasonic transducer 101, where 102 is a square columnar piezoelectric body, and 103 is an acoustic matching layer provided on one square surface of the piezoelectric body 102. Electrodes 104 and 105 made of baked silver are provided on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body 102. The acoustic matching layer 103 has been used by filling a material with many voids such as a glass balloon or a plastic balloon and bubbles into an epoxy resin and hardening it (for example, see Patent Document 1).
JP 11-215594 A

このような構成の従来の超音波振動子101では、音響整合層103にエポキシ樹脂を用いているので、高温高湿中では膨潤したり、あるいは、軟化点が比較的低いため、温度特性に問題があるなどの課題を有していた。   In the conventional ultrasonic transducer 101 having such a configuration, since an epoxy resin is used for the acoustic matching layer 103, it swells at a high temperature and high humidity, or has a relatively low softening point. There were issues such as.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、無機材からなる充填材とセラミック多孔体とからなる音響整合層で、超音波振動子を構成した。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an ultrasonic transducer is constituted by an acoustic matching layer made of a filler made of an inorganic material and a ceramic porous body.

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波振動子は、無機材からなる充填材とセラミック多孔体とからなる音響整合層と圧電体とで、超音波振動子を構成しているので、高温高湿中でも膨潤したりせず、また、軟化点も比較的高いため、通常用いる温度範囲では、温度特性が安定している超音波振動子を実現できる。また、この超音波振動子を用いて流量計を構成するので、信頼性の高い超音波流量計を提供することをも目的としている。   In order to solve the above-described conventional problems, the ultrasonic vibrator of the present invention is configured by an acoustic matching layer made of an inorganic material and a ceramic porous body, and a piezoelectric body. Therefore, since it does not swell even at high temperature and high humidity, and its softening point is relatively high, an ultrasonic vibrator having stable temperature characteristics can be realized in a temperature range that is normally used. Another object of the present invention is to provide a highly reliable ultrasonic flowmeter because the flowmeter is configured using this ultrasonic transducer.

以上のように、本発明によれば、信頼性の高い超音波振動子を実現することができる。   As described above, according to the present invention, a highly reliable ultrasonic transducer can be realized.

第1の発明は、超音波振動子を、気体中の音速よりも遅い音速を有する無機材料からなる充填材を内包したセラミック多孔体と、圧電体とからなる構成とした。この構成により、高温高湿中でも膨潤したりせず、また、軟化点も比較的高いため、通常用いる温度範囲では、温度特性が安定した超音波振動子を実現できる。   In the first invention, the ultrasonic vibrator is configured to include a ceramic porous body including a filler made of an inorganic material having a sound speed slower than the sound speed in the gas, and a piezoelectric body. With this configuration, an ultrasonic transducer that does not swell even at high temperature and high humidity and has a relatively high softening point can be realized in a temperature range that is normally used.

第2の発明は、特に第1の発明の多孔体をセラミックで構成した。この構成により、高温高湿中でも膨潤しない音響整合層を実現できた。   In the second invention, in particular, the porous body of the first invention is made of ceramic. With this configuration, an acoustic matching layer that does not swell even under high temperature and high humidity can be realized.

第3の発明は、第2の発明のセラミックを、アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトから選ばれる少なくとも1つを含む材料と結合材としての低融点ガラスとで構成した。この構成により、空孔率の大きいセラミック多孔体を容易に構成することができた。   In a third invention, the ceramic of the second invention is constituted by a material containing at least one selected from alumina, silica, zirconia, and cordierite and a low-melting glass as a binder. With this configuration, a ceramic porous body having a high porosity can be easily configured.

第4の発明は、第1の充填材を、有機ガラスで構成した。この構成により、高温高湿中でも膨潤しない音響整合層を実現できた。   4th invention comprised the 1st filler with organic glass. With this configuration, an acoustic matching layer that does not swell even under high temperature and high humidity can be realized.

第5の発明は、第4の発明の有機ガラスを、酸化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、アルミナから選ばれる少なくとも1つを含む材料で構成した。この構成により、高温高湿中でも膨潤しない音響整合層を実現できた。   5th invention comprised the organic glass of 4th invention with the material containing at least 1 chosen from a silicon oxide, a titanium oxide, a zirconia, and an alumina. With this configuration, an acoustic matching layer that does not swell even under high temperature and high humidity can be realized.

第6の発明は、第1〜第5の発明のいずれかに記載の超音波振動子を備え、流体が流れる流路を具備した流体計測部と、前記流路の流体の流れる上流部と下流部とに対向させた一対の前記超音波振動子を備え、前記一対超音波振動子間を超音波が伝播する伝播時間を計測し、流量を演算する演算部を備えた構成とした。この構成により、信頼性の高い超音波流体計測装置を実現できた。   A sixth invention includes the ultrasonic transducer according to any one of the first to fifth inventions, a fluid measuring unit including a flow channel through which a fluid flows, an upstream portion and a downstream through which the fluid flows. A pair of the ultrasonic transducers opposed to each other, a propagation unit for measuring the propagation time for ultrasonic waves to propagate between the pair of ultrasonic transducers, and a calculation unit for calculating the flow rate. With this configuration, a highly reliable ultrasonic fluid measuring device can be realized.

第7の発明は、第1〜第3の発明のいずれかの超音波振動子の製造方法を示し、可燃性ボールにセラミック粉体を被覆し、成形後、前記可燃性ボールを焼き飛ばし、焼結して形成することを特徴とする製造方法とした。この製造方法により、空孔率の大きいセラミック多孔体を容易に実現できた。   7th invention shows the manufacturing method of the ultrasonic transducer | vibrator in any one of 1st-3rd invention, coat | covers a flammable ball with ceramic powder, burns off the said flammable ball after shaping | molding, It was set as the manufacturing method characterized by forming. By this manufacturing method, a ceramic porous body having a high porosity can be easily realized.

第8の発明は、第1〜第3の発明のいずれかの超音波振動子の製造方法を示し、スラリー状のセラミック粉体に、界面活性剤を混合後、気泡を導入し、成形乾燥後、前記界面活性剤を焼き飛ばし、焼結して形成することを特徴とする製造方法とした。この製造方法により、空孔率の大きいセラミック多孔体を容易に、効率よく実現できた。
第9の発明は、第1、第4および第5の発明のいずれかの超音波振動子の製造方法を示し、セラミック多孔体の内面を予め酸あるいはアルカリで洗浄した後、溶液状の充填材を充填し、乾燥して形成することを特徴とする製造方法とした。この製造方法により、信頼性の高い音響整合層を実現できた。
8th invention shows the manufacturing method of the ultrasonic transducer | vibrator in any one of 1st-3rd invention, after mixing a surfactant with slurry-like ceramic powder, introduce | transducing a bubble, and after shaping | molding drying The production method is characterized in that the surfactant is burned off and sintered. By this manufacturing method, a ceramic porous body having a high porosity can be realized easily and efficiently.
9th invention shows the manufacturing method of the ultrasonic transducer | vibrator in any one of 1st, 4th and 5th invention, and the inner surface of a ceramic porous body is previously wash | cleaned with an acid or alkali, Then, a solution-form filler And manufacturing by drying. With this manufacturing method, a highly reliable acoustic matching layer could be realized.

第10の発明は、第1、第4、第5および第9の発明のいずれかの超音波振動子の製造方法を示し、溶液状の充填材を充填する時に、超音波などの振動を加えながら充填して形成することを特徴とする製造方法とした。この製造方法により、高信頼性の音響整合層を安定して実現することができた。   A tenth aspect of the invention shows a method of manufacturing an ultrasonic transducer according to any one of the first, fourth, fifth and ninth aspects of the invention. When a solution-like filler is filled, vibrations such as ultrasonic waves are added. The manufacturing method is characterized in that it is filled while forming. By this manufacturing method, a highly reliable acoustic matching layer could be realized stably.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中の同一番号を付けているものは、同一なものを示しているので、説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, what attaches | subjects the same number in a figure has shown the same thing, Description is abbreviate | omitted.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における超音波振動子1の外観図を示し、2は直方体の圧電体を示し、高さT、幅W、長さLを図1に示したように定義する。圧電体2の上面には音響整合層3を設けた。また、圧電体の上面、下面には焼き付け銀からなる電極4および5を形成した。図2に音響整合層3の主要部を示す。6は、セラミック多孔体の空孔部分を示し、内部に音速が気体中の音速よりも遅い音速を有する充填材で充填されている。この構成により、セラミック多孔体の強度が大きくなり、音響整合層として最適な板厚に研磨加工するときに、破断することが無くなった。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an external view of an ultrasonic transducer 1 according to Embodiment 1 of the present invention, 2 is a rectangular parallelepiped piezoelectric body, and the height T, width W, and length L are as shown in FIG. Define. An acoustic matching layer 3 is provided on the upper surface of the piezoelectric body 2. Electrodes 4 and 5 made of baked silver were formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body. FIG. 2 shows the main part of the acoustic matching layer 3. Reference numeral 6 denotes a void portion of the ceramic porous body, which is filled with a filler having a sound velocity that is slower than the sound velocity in the gas. With this configuration, the strength of the ceramic porous body is increased, and the ceramic porous body is not broken when it is polished to an optimum plate thickness as an acoustic matching layer.

また、音響整合層3の表面も滑らかになり、音響特性が若干、約15[%]程度向上した。これは充填材を内包することにより、内部の振動が効率よく気体中に伝達されるようになった結果と考えられる。また、充填材中の超音波の音速が気体中の音速よりも遅いため、充填材の有無による音速の変化が非常に小さくなり、音響整合層の設計が容易になるという結果も得られた。   Further, the surface of the acoustic matching layer 3 was also smoothed, and the acoustic characteristics were slightly improved by about 15 [%]. This is considered to be a result of the internal vibration being efficiently transmitted into the gas by including the filler. Moreover, since the speed of sound of the ultrasonic wave in the filler is slower than the speed of sound in the gas, the change in the speed of sound due to the presence or absence of the filler becomes very small, and the acoustic matching layer can be easily designed.

なお、セラミック多孔体の構成材は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトから選ばれる少なくとも1つの材料から構成した。これらの材料と低融点ガラスとを用いることにより、アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトなどのセラミック構成材を、十分細かく粉砕しておくことにより、多孔体の骨材部分を充分薄く構成することができた。また、低融点ガラスを用いるので、低温度で焼成でき、骨材を構成する上記材料の焼結は殆ど進むことがなく、低密度のセラミック多孔体を構成することができた。   In addition, the constituent material of the ceramic porous body was made of at least one material selected from alumina, silica, zirconia, and cordierite. By using these materials and low melting point glass, ceramic components such as alumina, silica, zirconia, cordierite, etc. should be sufficiently finely ground to make the aggregate part of the porous body sufficiently thin. I was able to. Further, since the low melting point glass is used, it can be fired at a low temperature, and the sintering of the material constituting the aggregate hardly proceeds, and a low density ceramic porous body can be constituted.

なお、セラミック多孔体の空孔は連通孔として形成されているので、音速の遅い低密度の有機ガラスを容易に空孔内部に浸透させることができ、充填することができた。このような有機ガラスは、酸化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、アルミナなどから構成される有機ガラスが適している。   Since the pores of the ceramic porous body are formed as communication holes, low-density organic glass having a low sound speed can be easily infiltrated into the pores and can be filled. As such an organic glass, an organic glass composed of silicon oxide, titanium oxide, zirconia, alumina or the like is suitable.

また、セラミック多孔体の空孔部分に充填材が充填されているので、高温高湿中に放置しておいても、空孔内部に結露することも無く特性の安定した、信頼性の高い超音波振動子を構成することが出来た。また、音響整合層を無機材料からなるセラミック多孔体で構成したので、軟化点を比較的大きくすることができ、温度特性にも安定した超音波振動子を実現することができた。   In addition, since the pores of the ceramic porous body are filled with a filler, even if left in high temperature and high humidity, there is no condensation inside the pores. A sonic transducer could be constructed. In addition, since the acoustic matching layer is composed of a ceramic porous body made of an inorganic material, the softening point can be made relatively large, and an ultrasonic transducer having stable temperature characteristics can be realized.

(実施の形態2)
図3に、本発明に基づく超音波流体計測装置の一例としての超音波振動子一対を用いた超音波流量計7を示す。一対の超音波振動子8、9は流体の流れる流路10の上流側および下流側に、対向して設けた。実線の矢印11は流体の流れる方向を、破線の両矢印12は超音波の伝搬する方向を、それぞれ示す。また、角度θは、流体の流れる方向11と、超音波の伝搬する方向12との交叉角を示す。
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows an ultrasonic flowmeter 7 using a pair of ultrasonic transducers as an example of an ultrasonic fluid measuring apparatus based on the present invention. The pair of ultrasonic transducers 8 and 9 are provided opposite to the upstream side and the downstream side of the flow path 10 through which the fluid flows. A solid arrow 11 indicates the direction in which the fluid flows, and a broken double arrow 12 indicates the direction in which the ultrasonic waves propagate. Further, the angle θ represents the crossing angle between the direction 11 in which the fluid flows and the direction 12 in which the ultrasonic wave propagates.

このような構成の超音波流体計測装置としての超音波流量計の計測原理を簡単に説明する。流路10を流れる流体の流速をVf、超音波の伝搬速度をVsとし、超音波振動子間の距離をLdとすると、上流側の超音波振動子8から下流側の超音波振動子9への超音波の伝搬時間計測結果をTudとすると、
Tud={Ld/[Vs+Vf×cos(θ)]}
となる。
The measurement principle of the ultrasonic flowmeter as the ultrasonic fluid measuring device having such a configuration will be briefly described. When the flow velocity of the fluid flowing through the flow path 10 is Vf, the ultrasonic wave propagation velocity is Vs, and the distance between the ultrasonic transducers is Ld, the upstream ultrasonic transducer 8 moves to the downstream ultrasonic transducer 9. If the ultrasonic wave propagation time measurement result is Tud,
Tud = {Ld / [Vs + Vf × cos (θ)]}
It becomes.

同様にして、下流側の超音波振動子9から上流側の超音波振動子8への超音波の伝播時間測結果をTduとすると、以下のようになる。   Similarly, when the ultrasonic propagation time measurement result from the downstream ultrasonic transducer 9 to the upstream ultrasonic transducer 8 is Tdu, the result is as follows.

Tdu={Ld/[Vs−Vf×cos(θ)]}
これらより、
Tud=Ld/[Vs+Vf×cos(θ)]
Tdu=Ld/[Vs−Vf×cos(θ)]
従って、
Vs+Vf×cos(θ)=Ld/Tud
Vs−Vf×cos(θ)=Ld/Tdu
これらより、上の式から下の式の両辺を引き算すると、超音波の音速Vsの項を消去することができ、以下のようになる。
Tdu = {Ld / [Vs−Vf × cos (θ)]}
From these,
Tud = Ld / [Vs + Vf × cos (θ)]
Tdu = Ld / [Vs−Vf × cos (θ)]
Therefore,
Vs + Vf × cos (θ) = Ld / Tud
Vs−Vf × cos (θ) = Ld / Tdu
From these, by subtracting both sides of the lower expression from the upper expression, the term of the ultrasonic sound velocity Vs can be eliminated, and the following is obtained.

2×Vf×cos(θ)=Ld×[{1/Tud}−{1/Tdu}]
この結果より、超音波振動子間の距離Ldおよび交差角(θ)は、それぞれ既知であるので、簡単に計算することができる。このようにして流体の流速Vfが得られる。この流速Vfに流路10の断面積Srを乗じて流量Qmを演算する。
2 × Vf × cos (θ) = Ld × [{1 / Tud} − {1 / Tdu}]
From this result, since the distance Ld and the crossing angle (θ) between the ultrasonic transducers are known, they can be easily calculated. In this way, the fluid flow velocity Vf is obtained. The flow rate Qm is calculated by multiplying the flow velocity Vf by the cross-sectional area Sr of the flow path 10.

また、同様に上の式と下の式の両辺を足し算すると、流体の流速の項が消去されて、以下のようになる。   Similarly, when both sides of the above equation and the lower equation are added, the term of the fluid flow velocity is eliminated, and the following is obtained.

2×Vs=Ld×[{1/Tud}+{1/Tdu}]
この結果より、音速Vsも得られ、これより流体の温度も算出することもできる。
2 × Vs = Ld × [{1 / Tud} + {1 / Tdu}]
From this result, the speed of sound Vs is also obtained, and the temperature of the fluid can also be calculated from this.

このようにして、信頼性の高い超音波流量計を構成することができた。また、温度変化に対しても特性の安定した超音波流量計を実現することができた。   In this way, a highly reliable ultrasonic flow meter could be configured. In addition, an ultrasonic flowmeter having stable characteristics against temperature changes could be realized.

なお、本実施の形態では、流体の流速Vfを求めて流量Qmを演算したが、必ずしも流量を求める必要はなく、流速Vfを求めるだけでもよく、これによっても、流体の漏洩を検知することができる。   In this embodiment, the flow rate Qm is calculated by obtaining the flow velocity Vf of the fluid. However, it is not always necessary to obtain the flow rate, and only the flow velocity Vf may be obtained. it can.

(実施の形態3)
セラミック多孔体の製造方法について、説明する。アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトなどの無機材料と低融点ガラスとを充分細かく粉砕する。粒径は、10μm以下になるように準備する。より望ましくは、1μm以下。この粉砕された粉体に、バインダーとしてのポリビニルアルコールなどと混合し、スラリーを形成する。
(Embodiment 3)
A method for producing the ceramic porous body will be described. An inorganic material such as alumina, silica, zirconia, cordierite, and low-melting glass are sufficiently finely pulverized. The particle size is prepared to be 10 μm or less. More desirably, it is 1 μm or less. The pulverized powder is mixed with polyvinyl alcohol as a binder to form a slurry.

次に、アクリルなどの樹脂ボールに、このスラリーを霧状にして吹きつけ貼付し、乾燥する。吹きつけ貼付された粉体は、数μm程度の厚さが望ましい。樹脂ボールの直径は10〜50μm程度が良い。霧状のスラリーを吹き付けられ貼付、乾燥した樹脂ボールを、所定の形状に圧縮成形し、焼成する。   Next, the slurry is sprayed and pasted onto a resin ball such as acrylic and dried. The sprayed and pasted powder desirably has a thickness of about several μm. The diameter of the resin ball is preferably about 10 to 50 μm. The resin balls sprayed with the mist-like slurry, pasted and dried are compression-molded into a predetermined shape and fired.

この焼成においては、酸素を充分に与えることにより、樹脂ボールが炭化し、二酸化炭素として成形体から放出される。この時、樹脂ボールは成形体の表面から順次、二酸化炭素として抜けてゆき、後には連通孔としての空孔が残る。酸素の供給量が不十分であれば、炭化物として成形体内部に残存する結果となる。このようにして形成された空孔がセラミック多孔体となる。   In this firing, the resin ball is carbonized by sufficiently supplying oxygen, and is released from the molded body as carbon dioxide. At this time, the resin balls sequentially escape from the surface of the molded body as carbon dioxide, and later, holes as communication holes remain. If the supply amount of oxygen is insufficient, it results in remaining inside the molded body as a carbide. The pores formed in this way become a ceramic porous body.

このようにして作成したセラミック多孔体の空孔分布を図4に示す。図4は、横軸に空孔径を、縦軸に相対比を示す。13は、空孔分布を示す曲線を、破線14は用いた樹脂ボールの粒径分布を示す。図より、空孔分布13は、樹脂ボールの粒径分布13に比べ、かなりブロードな分布を示している。これは、樹脂ボールの抜け殻が合体したり、あるいは接触している抜け殻が界面を通してつながっているためと考えられる。このように、形成された空孔は50〜100μmの間に大部分が分布していることがわかる。また、複数個の空孔が合体し、連通孔が形成されたと結果とも考えることができる。   The pore distribution of the ceramic porous body thus prepared is shown in FIG. FIG. 4 shows the pore diameter on the horizontal axis and the relative ratio on the vertical axis. Reference numeral 13 denotes a curve indicating the pore distribution, and a broken line 14 denotes the particle size distribution of the used resin balls. From the figure, the pore distribution 13 shows a considerably broader distribution than the particle size distribution 13 of the resin balls. This is presumably because the shells of the resin balls are united or the shells in contact are connected through the interface. Thus, it can be seen that most of the formed holes are distributed between 50 and 100 μm. It can also be considered as a result that a plurality of holes are combined to form a communication hole.

このようにしてセラミック多孔体を製造することにより、連通孔としての多孔体を構成することができ、有機ガラスを空孔内部に導入するのに適した構成となっていると考えられる。   Thus, by manufacturing a ceramic porous body, the porous body as a communicating hole can be comprised, and it is thought that it is the structure suitable for introducing organic glass into a void | hole.

(実施の形態4)
セラミック多孔体の他の製造方法について、説明する。
(Embodiment 4)
Another method for producing the ceramic porous body will be described.

アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトなどの無機材料と低融点ガラスとを充分細かく粉砕する。粒径は、10μm以下になるように準備する。より望ましくは、1μm以下。この粉砕された粉体に、界面活性剤を混合し、スラリーを形成する。次に、このスラリーに気体を導入し、スラリーを発泡させ、多数個の気泡を導入する。この状態にし、放置乾燥後、低融点ガラスの融点温度で焼成し、固形化し、セラミック多孔体を形成する。   An inorganic material such as alumina, silica, zirconia, cordierite, and low-melting glass are sufficiently finely pulverized. The particle size is prepared to be 10 μm or less. More desirably, it is 1 μm or less. A surfactant is mixed with the pulverized powder to form a slurry. Next, gas is introduced into the slurry, the slurry is foamed, and a large number of bubbles are introduced. In this state, after standing and drying, it is fired at the melting temperature of the low-melting glass and solidified to form a ceramic porous body.

この時、皮膜状の界面活性剤は、焼成時の酸素と反応し、成形体の表面から順次、焼損して抜けてゆき、後には連通孔としての空孔が残る。酸素の供給量が不十分であれば、炭化物として成形体内部に残存する結果となる。このようにして形成された空孔がセラミック多孔体となる。このようにして作成したセラミック多孔体の空孔分布は、図4に示した結果と同様な特性が得られた。この結果、連通孔でつながった空孔が得られる。このようにしてセラミック多孔体を製造することにより、連通孔としての多孔体を構成することができ、有機ガラスを空孔内部に容易に導入することができる構成が得られる。   At this time, the film-form surfactant reacts with oxygen at the time of firing, burns out sequentially from the surface of the molded body, and thereafter, pores as communication holes remain. If the supply amount of oxygen is insufficient, it results in remaining inside the molded body as a carbide. The pores formed in this way become a ceramic porous body. As for the pore distribution of the ceramic porous body thus prepared, the same characteristics as the results shown in FIG. 4 were obtained. As a result, holes connected by the communication holes are obtained. Thus, by manufacturing a ceramic porous body, the porous body as a communicating hole can be comprised and the structure which can introduce | transduce organic glass easily into a void | hole is obtained.

(実施の形態5)
有機ガラスのセラミック多孔体への導入方法について説明する。
(Embodiment 5)
A method for introducing the organic glass into the ceramic porous body will be described.

酸化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、アルミナなどの有機ガラス材料を準備する。この材料をメアルコールなどの溶媒で希釈し、適当な触媒と混合する。   An organic glass material such as silicon oxide, titanium oxide, zirconia, or alumina is prepared. This material is diluted with a solvent such as alcohol and mixed with a suitable catalyst.

次に多孔体セラミックを酸あるいはアルカリ溶液でエッチング処理する。このエッチング処理によりセラミック多孔体の内部、即ち空孔内部の表面が一部エッチングされ、活性化される。この活性化処理された状態のところに、溶媒で希釈した有機ガラスを浸透させ、セラミック多孔体の空孔と反応させて、有機ガラスを空孔内部に含浸させ、音響整合層とした。このようにして作成した内部に有機ガラスが形成されたセラミック多孔体の音響整合層を、最適な板厚となるよう両面研磨を実施したところ、有機ガラスとセラミック多孔体との接着強度が著しく向上したことがわかった。   Next, the porous ceramic is etched with an acid or alkali solution. By this etching treatment, the inside of the ceramic porous body, that is, the surface inside the pores is partially etched and activated. The organic glass diluted with the solvent was infiltrated into the activated state, reacted with the pores of the ceramic porous body, and the organic glass was impregnated into the pores to form an acoustic matching layer. When the acoustic matching layer of the porous ceramic body with organic glass formed in this way was polished on both sides to achieve the optimum plate thickness, the adhesive strength between the organic glass and the porous ceramic body was significantly improved. I found out.

即ち、有機ガラスが形成されていないセラミック多孔体では、研磨中に一部が欠けたりしていたが、あるいは一部が欠けた場合、セラミック多孔体の一部と、有機ガラスの一部とは、バラバラに分断されることがあったが、有機ガラスとセラミック多孔体との接着強度が向上してからは、セラミック多孔体が研磨中に欠けることは非常に少なくなった。また、一部が欠けた場合でも、セラミック多孔体の一部と有機ガラスの一部とがバラバラになることもなく欠けるようになった。このように、接着強度が大きくなり、音響整合層としての加工性は非常に向上した。   That is, in the ceramic porous body in which the organic glass is not formed, a part of the ceramic porous body is chipped during polishing, or when a part of the ceramic porous body is chipped, a part of the ceramic porous body and a part of the organic glass are In some cases, the ceramic porous body was cut off during polishing after the adhesion strength between the organic glass and the ceramic porous body was improved. Further, even if a part of the ceramic porous body is missing, a part of the ceramic porous body and a part of the organic glass are not separated. Thus, the adhesive strength was increased and the workability as an acoustic matching layer was greatly improved.

(実施の形態6)
有機ガラスのセラミック多孔体への導入方法について説明する。セラミック多孔体に、溶媒に希釈された酸化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、アルミナなどの有機ガラスを浸漬導入する際に、超音波振動などで溶液を遥動させることにより、導入された有機ガラスの特性、密度が安定することがわかった。
(Embodiment 6)
A method for introducing the organic glass into the ceramic porous body will be described. Characteristics of the introduced organic glass by oscillating the solution by ultrasonic vibration when introducing organic glass such as silicon oxide, titanium oxide, zirconia, and alumina diluted in a solvent into the porous ceramic body The density was found to be stable.

即ち、事前に計測したセラミックの空孔率、嵩密度と、有機ガラス導入後の重量、嵩密度とから、導入した有機ガラスの密度を推定すると、溶液を遥動させた場合、導入した有機ガラスの密度推定値は、0.3±0.03[g/cc]であったが、溶液を遥動しなかった場合は、0.3±0.08[g/cc]となった。これらは、溶液を遥動した結果、溶液中の有機ガラスが一様に希釈されるとともに、反応の一様性も向上したためと考えられる。このように、溶液を遥動しながら有機ガラスを導入することにより、一様な特性を有する音響整合層を形成することができた。   That is, when the density of the introduced organic glass is estimated from the porosity and bulk density of the ceramic measured in advance and the weight and bulk density after the introduction of the organic glass, the introduced organic glass is obtained when the solution is swung. The estimated density was 0.3 ± 0.03 [g / cc], but when the solution was not shaken, it was 0.3 ± 0.08 [g / cc]. This is probably because the organic glass in the solution was uniformly diluted and the uniformity of the reaction was improved as a result of the solution being shaken. Thus, an acoustic matching layer having uniform characteristics could be formed by introducing the organic glass while moving the solution.

以上のように、本発明の超音波振動子、超音波流量計およびそれらの製造方法は、ガスだけではなく水等の液体の流速、流量を計測する超音波流体計測装置およびそれに用いる超音波振動子に適用できる。   As described above, the ultrasonic vibrator, the ultrasonic flowmeter, and the manufacturing method thereof according to the present invention include an ultrasonic fluid measuring device that measures a flow rate and a flow rate of a liquid such as water as well as a gas, and an ultrasonic vibration used in the ultrasonic fluid measuring device. Applicable to children.

本発明の実施の形態1における超音波振動子の斜視図The perspective view of the ultrasonic transducer | vibrator in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1に音響整合層拡大図Embodiment 1 of the present invention is an enlarged view of an acoustic matching layer 本発明の実施の形態2における超音波流量計の概念図Conceptual diagram of ultrasonic flowmeter in embodiment 2 of the present invention 本発明の実施3例における粒径分布図Particle size distribution chart in Example 3 of the present invention 従来の超音波振動子の斜視図A perspective view of a conventional ultrasonic transducer

符号の説明Explanation of symbols

1 超音波振動子
2 圧電体
3 音響整合層
4、5 電極
7 超音波流量計(流体計測装置)
8、9 超音波振動子
10 流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic vibrator 2 Piezoelectric body 3 Acoustic matching layer 4, 5 Electrode 7 Ultrasonic flowmeter (fluid measuring device)
8, 9 Ultrasonic vibrator 10 Flow path

Claims (10)

気体中の音速よりも遅い音速を有する充填材を内包した多孔体と、圧電体とからなる超音波振動子。 An ultrasonic vibrator comprising a porous body containing a filler having a sound speed slower than that in a gas, and a piezoelectric body. 前記多孔体をセラミックで形成されてなる請求項1記載の超音波振動子。 The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the porous body is made of ceramic. 前記セラミックが、アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトから選ばれる少なくとも1つを含む材料と結合材としての低融点ガラスで形成されてなる請求項2記載の超音波振動子。 The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the ceramic is formed of a material containing at least one selected from alumina, silica, zirconia, and cordierite and a low-melting glass as a binder. 前記充填材を有機ガラスで形成されてなる請求項1記載の超音波振動子。 The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the filler is made of organic glass. 前記有機ガラスが、酸化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、アルミナから選ばれる少なくとも1つを含む材料で形成されてなる請求項4記載の超音波振動子。 The ultrasonic vibrator according to claim 4, wherein the organic glass is formed of a material containing at least one selected from silicon oxide, titanium oxide, zirconia, and alumina. 請求項1〜5のいずれかに記載の超音波振動子を備えた超音波流体計測装置であって、流体が流れる流路を具備した流体計測部と、前記流路の流体の流れる上流部と下流部とに対向させた一対の前記超音波振動子を備え、前記一対超音波振動子間を超音波が伝播する伝播時間を計測し、流速またはおよび流量を演算する演算部を備えた超音波流体計測装置。 An ultrasonic fluid measurement device comprising the ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 5, wherein a fluid measurement unit including a flow path through which a fluid flows, and an upstream part through which the fluid flows in the flow path, Ultrasound including a pair of the ultrasonic transducers opposed to the downstream portion, measuring a propagation time during which the ultrasonic waves propagate between the pair of ultrasonic transducers, and calculating a flow velocity or a flow rate Fluid measuring device. 請求項1〜3のいずれかに記載の超音波振動子の製造方法であって、可燃性ボールにセラミック粉体を被覆し、成形後、前記可燃性ボールを焼き飛ばし、焼結して形成することを特徴とする超音波振動子の製造方法。 It is a manufacturing method of the ultrasonic vibrator in any one of Claims 1-3, Comprising: A ceramic powder is coat | covered to a combustible ball | bowl, and after forming, the said combustible ball | bowl is burned off and it forms by sintering. A method of manufacturing an ultrasonic vibrator. 請求項1〜3のいずれかに記載の超音波振動子の製造方法であって、スラリー状のセラミック粉体に、界面活性剤を混合、気泡を導入し、成形乾燥後、前記界面活性剤を焼き飛ばし、焼結して形成することを特徴とする超音波振動子の製造方法。 It is a manufacturing method of the ultrasonic vibrator in any one of Claims 1-3, Comprising: Surfactant is mixed with a slurry-like ceramic powder, a bubble is introduce | transduced, and after shaping | molding drying, the said surfactant is used. A method for manufacturing an ultrasonic vibrator, wherein the ultrasonic vibrator is formed by baking and sintering. 請求項1、4および5のいずれかに記載の超音波振動子の製造方法であって、セラミック多孔体の内面を予め酸あるいはアルカリで洗浄した後、溶液状の充填材を充填し、乾燥して形成することを特徴とする超音波振動子の製造方法。 6. The method for manufacturing an ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the inner surface of the ceramic porous body is previously washed with an acid or alkali, and then filled with a solution-like filler and dried. A method for manufacturing an ultrasonic transducer, characterized by comprising: 請求項1、4、5および9のいずれかに記載の超音波振動子の製造方法であって、溶液状の充填材を充填する時に、超音波などの振動を加えながら充填して形成することを特徴とする超音波振動子の製造方法。 10. The method of manufacturing an ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the ultrasonic transducer is filled while applying a vibration such as an ultrasonic wave when the solution-like filler is filled. A method of manufacturing an ultrasonic transducer characterized by the above.
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