JP2005260807A - 音響整合部材の製造方法およびその音響整合部材を音響整合層として用いた超音波センサ並びに超音波センサを用いた流体の流れ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中空球体と結合材料の混合物からなる音響整合部材において、側壁表面の凹凸段差を解消し、側壁表面全体にわたり平滑な音響整合部材を製造することにより、生産効率の向上を図ったものである。
【解決手段】中空球体９と結合材料１１の混合物１６を収納する収納室８を備えた収納体７において、第一の硬化工程として、誘導加熱等により収納体７自身の発熱から収納室８界面の結合材料１１を急速に加熱硬化させる。第一の硬化工程を実施した後、第二の硬化工程として雰囲気漕内で加熱硬化させることにより、音響整合部材１７の側壁表面全体は平滑面を形成し、且つ、音響整合部材１７全体を均一に硬化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響整合部材の製造方法、および、それを音響整合層として用いた超音波センサ、並びに、この超音波センサを利用した気体や液体の流体の流れ測定装置に関するものである。

従来、超音波センサなどに用いられる音響整合部材の製造方法は、例えば、図６（ａ）に示すように、容器１にマイクロバルーン２と樹脂３とを混入した後、図６（ｂ）に示すようにその容器１ごと遠心分離器４内に設置して駆動させる。

そして、図６（ｃ）に示すようにマイクロバルーン１と樹脂２の混合物の中で、比重差を用いて比重の軽いマイクロバルーンが主成分の第１の樹脂層５と、比重の重い樹脂層のみからなる第２の樹脂層６に分離させて、容器１内下部に樹脂３のみからなる第２の樹脂層６を、容器１内上部にマイクロバルーン２が主成分の第１の樹脂層５をそれぞれ形成し、その後、マイクロバルーン２が主成分の第１の樹脂層５だけを取り出して音響整合部材とし、これを加工後、音響整合層とする方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、別に遠心分離器を用いずに、容器内にガラスバルーンと樹脂を混合して混合物をつくり、そのまま音響整合部材として製造する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−２６３４１６１号公報 特開２００１−３６５８４２号公報

しかし、図６に示す従来の製造方法では、マイクロバルーンの周囲に樹脂の付着した第１の樹脂層と比重の重い樹脂のみが主成分の第２の樹脂層が形成される中で、音響整合部材として使用されるのは、第１の樹脂層のみであり、残りの第２の樹脂層は廃棄されるので、製造した整合部材から採取できる部分は限られたものとなり、そのため、音響整合部材の生産効率が低くなる課題があった。

また、容器内にガラスバルーンと樹脂の混合物してそのまま音響整合部材とするものでは、混合物中の樹脂を熱硬化させる工程において、容器をそのまま雰囲気加熱漕などで加熱すると、樹脂の硬化が始まる前に樹脂粘度が低下するために、混合物中の樹脂が重力により容器下部に流動してしまう。

そのため、音響整合部材上部の壁面は樹脂部分が欠乏状態となり、この状態で熱硬化した音響整合部材上部の壁面には巣が入った状態になって作成される。これにより、音響整合部材の上部は壁面の凹凸段差が大きいために音響整合層として使用できなくなるおそれがあり、結果的に生産効率の低下を招いていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、音響整合部材の全周囲側壁面が平滑であり、作成した音響整合部材から音響整合層として全て採取できる製造方法と超音波センサ並びに同超音波センサを搭載した流れ測定装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の整合部材の製造方法は、収納体の収納室に中空球体と結合材料の混合物を収納し、次いで、前記混合物に第一の硬化工程と第二の硬化工程を実施することを特徴とするもので、先に収納室内壁と混合物壁面界面の結合材料層が硬化し、混合物壁面に結合材料樹脂層が均一に成型されるので、混合物が加熱硬化された後の音響整合部材の周囲壁面全体は凹凸のない平滑面を得ることができる。このため、作成した音響整合部材の一部を取り出すことなく、音響整合部材全長を音響整合層として用いることができる。

本発明によれば、全て壁面が平滑な音響整合部材を取り出すことができるので、壁面状態の凹凸が大きい音響整合部材を選別して廃棄することがなくなり、生産効率を上げることができる。この音響整合層を搭載する超音波センサおよびこの超音波センサを搭載した流体の流れ測定装置としても著しくその生産安定性を高めることができる。

第１の発明は、収納体の収納室に中空球体と結合材料の混合物を収納し、次いで、前記混合物に第一の硬化工程と第二の硬化工程を実施することを特徴とする製造方法で、混合物を収納した収納体を一度に加熱硬化することの弊害、すなわち、収納室壁面の境界に低粘度になった結合材料が下部へ移動することにより上部の結合材料が欠乏して表面に凹凸を発生することを防止することができる。そのため、側壁表面が平滑な音響整合部材を得ることができる。

第２の発明は、第一の硬化工程は、所定の手段を用いて収納体を直接加熱して混合物の一部を硬化させるようにしたもので、結合材料の上部から下部への移動を防ぐことができる。

第３の発明は、所定の手段として誘導加熱手段を用いたものであり、雰囲気加熱と比較して収納体への加熱速度が速いため、特に収納室壁面に接する混合物の表層部の結合材料を急速に加熱硬化が可能となる。

第４の発明は、第二の硬化工程は、第一の硬化工程を経た混合物を雰囲気加熱で加熱硬化させるもので、第一硬化工程を経た混合物は表層部が平滑のままで、そして形状を保持したままであるので、収納体ごと雰囲気漕等の加熱炉により混合物を最適加熱条件設定で硬化でき、音響整合部材全体を均一に硬化させることができる。

第５の発明は、中空球体と結合材料の混合物を硬化させた後、所定長さに切断するものであり、側壁表面が結合材料で被覆形成されているために側壁表面の平滑性が保持され、所定長さに切断した後も接着剤を使用して他の部材に接着する場合も側壁表面を伝って接着剤が乗り上げることはない。

第６の発明は、結合材料を熱硬化性樹脂化合物とすることにより、中空球体と混合しやすく、且つ、混合後加熱により樹脂が硬化するので、中空球体表面に密着して硬化されて音響整合部材を作成することができる。

第７の発明は、中空球体はガラス組成を含むことにより、中空状態を保持したまま結合材料との混合による整合部材を作成することができるので、周囲温度が変化しても音響整合部材内の中空球体の中空状態は保持され、その密度の安定化に寄与することが出来る。

第８の発明は、前記製造方法で成型した音響整合部材を超音波センサの音響整合層とし使用したものである。音響整合層は結合材料が被覆形成されているため平滑性が保持され、さらに、所定の長さの音響整合部材から切断された音響整合層は、どの部分から採取されても側壁表面に結合材料が未充填な部分が存在しないため、その生産効率を高めることができる。

第９の発明は、超音波センサを、筒状ケースと、前記筒状ケースの内壁面に固定された圧電体と、前記筒状ケース外壁面に接着層を介して設置された音響整合層とで構成した。これにより、圧電体からの振動を音響整合層を介して効率よく気体中に音波として伝搬させることができる。

第１０の発明は、前記超音波センサを流体の流れ方向に少なくとも一対配置し、前記超音波センサ間の超音波伝搬時間にもとづき流体の速度およびまたは流量を検知するようにしたものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１（ａ）に示すように、収納体７内に所定容積を有する貫通孔状の収納室８があり、この収納室８内にはガラス組成を含む中空球体９が収納してある。前記中空球体９はそれぞれ１０〜１００ｕｍの粒径を有し、平均粒径は約６０ｕｍである。真密度は約０．１４から０．１８ｇ／ｃｍ^３である。

中空球体９は他の充填剤と比較して比重が軽く、耐熱性、耐衝撃性を有し、充填材として使用したときの寸法安定性、成型性などの物性を改良できる。

使用したガラスの組成はホウケイ酸系ガラスである。この中空体９は、酸化珪素、硼酸、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム等の原料を１０００℃以上の高温で溶融して硫黄分を多含するガラスを形成させた後、ガラスを粉砕後、このガラス微粉末を火炎中に分散、滞留させることにより、硫黄分を発泡剤成分として発泡させて作成している。

中空球体９を収納室８に充填する方法としては、下部面にろ紙などのフィルター１０等を設けた収納体７を所定周波数で振動するような振動装置上に設置し、加振させながら中空球体９を収納体７の収納室８に少量ずつまたは所定量を投入していく。

また、別方法として、収納室８に中空球体９を少量ずつ、または一定量充填して、所定高さから自然落下させて、この収納室８内に中空球体９を充填していくものも考えられるものである。

なお、中空球体９を所定容積を有する収納室８に充填される方法は、前記振動装置や衝撃加振だけに限られたものではない。

図１（ａ）に示すように、中空球体９を充填した収納体７の収納室８上面にもフィルター１０を設置した後、結合材料１１を供給して収納室８内に含浸させる。

図１（ｂ）に中空球体９が充填された収納室８内に結合材料１１を充填させる方法を示す。すなわち、吸引口１２を有し、前記収納体７を内包する整合部材作成治具１３を結合材料１１で満たした容器１４に設置する。

図１（ｂ）に示す整合部材作成治具１３の吸引口１２は１つしか設けられていないが、複数口を設けても差し支えない。そして、図１（ｂ）に示すように整合部材作成治具１３の吸引口１２から容器１４内の結合材料１１を真空ポンプ１５により吸引する。

このように低圧雰囲気下にすることにより、収納室８内の中空球体９間に存在した空隙の気泡が抜け去り、変わって結合材料１１が中空球体９間を埋めていく。収納室８の下側に設置するフィルター１０はその中の中空球体９が漏れないようにするためであり、上側に設けるフィルター１０は結合材料１１を吸引したとき、中空球体９も一緒に吸引しないためである。ここではフィルター１０にろ紙を用いた。なお、先に述べたフィルター１０の目的を達成していれば材質にはこだわらない。

ここで、結合材料１１としては熱硬化性樹脂化合物であるエポキシ樹脂を用いた。エポキシ樹脂は硬化後の樹脂の形状変化が小さく、長期安定性に優れており、何より、中空球体９表面との親和性が高いので、同中空球体９と結合力が安定的に向上する。

使用したエポキシ樹脂は、２液硬化型のエポキシ樹脂である。主剤はビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂であり、硬化剤は、テトラヒドロメチル無水フタル酸である。主剤と硬化剤を最適混合比率で混合してエポキシ樹脂として用いた。比重は約１．０〜１．２ｇ／ｃｍ^３である。しかし、ここでは特に２液硬化型のエポキシ樹脂にこだわるものではなく、目的が達せられれば１液硬化型のエポキシ樹脂を用いても差し支えない。

なお、結合材料１１を吸引するときには、雰囲気や整合層作成治具治具５を結合材料１１が硬化しない温度で、しかも結合材料１１の粘度が低くなる温度にしておくことが望ましい。これは結合材料１１の吸引を効率よく行うためである。

また、収納体７や整合部材作成治具１３の材質は、後に誘導加熱を実施することから金属材料である真鍮を用いた。勿論、誘導加熱がなされるのであれば、材質は特にこだわらない。本実施の形態では、エポキシ樹脂の吸引時の粘度を考慮してゲル化温度より低い温度の６０℃中で吸引した。

図２結合材料１１を吸引する際の概要を詳しく記す。図２（ａ）に示すように整合部材作成治具内１３内に収納体７を内包して結合材料１１を吸引すると、収納体７の収納室８内に充填された中空球体９間に結合材料１１が満される。

図２（ｂ）に示すように、収納体７が有する収納室８は複数個あってもかまわない。収納室８が複数個あると一度に製造できる音響整合部材が多くなるため、所定製造時間に対する生産効率が上がる。

図３に複数の収納室８を所有する収納体７の一例を示す。この時使用した収納室８の断面積の直径は１１ｍｍである。なお、収納体７や収納室８の断面形状は円状を有しているが、この形状にこだわるものではない。

このように、結合材料１１を吸引して収納室８内に結合材料１１と中空球体９の混合物１６を内包した収納体７を整合部材作成治具１３から取り出す。そして、第一の硬化工程として図４に示すように、収納体７ごと誘導加熱装置１７上に設置し、誘導加熱する。

この誘導加熱作用により収納体７の材料が熱伝導により急速に加熱される。その熱伝達により、混合物１６の側壁表層部分に存在する結合材料１１が収納体７の熱伝導により急速に加熱されて、結合材料１１が硬化する。

前記第一の硬化工程を経た混合物１６に第二の硬化工程として、混合物１６を内包した収納体７ごと雰囲気漕内に設置し、加熱硬化する。

このような第一の硬化工程と第二の硬化工程を経て、収納室８内に側壁表面が平滑な整合部材１８を得ることができる。

そして、誘導加熱と雰囲気漕による加熱を組みあわせた硬化を実施することにより、従来、雰囲気漕によってのみ加熱硬化していたときに見られた収納室界面を伝って、収納室の上部付近から下部へ結合材料が移動して、この結合材料の充填不足が原因の音響整合部材側壁面上部の凹凸を防止することができ、全長にわたって平滑な表面を得ることができる。

したがって、図１（ｃ），（ｄ）のように、加熱硬化後、加圧等の手段で収納体７から音響整合部材１８を取り出し、より空気伝搬に有効な超音波波長の１／４である所定の厚みに切断して音響整合層１９を得ることが出来る。これにより得られた音響整合層１９は、どの側壁表面も平滑となる。

これにより、音響整合層１９を接着剤で張り合わせて加熱硬化するときに、表面の凹凸を介してその側壁表面を毛細管現象により接着剤が超音波発振面である表面に析出するこがなく、音響整合層の高い厚み制御を実現できる。

（実施の形態２）
図５は、上記実施の形態により得た音響整合層１９を使用した超音波センサを示す。

導電性材料製の筒状のケース２１における天部２２の内壁面に圧電体２３が、外壁面に前記の音響整合層１９がそれぞれ接着されている。

筒状ケース２１の下方開放部は一方の端子２６を接続した端子板２５で閉塞され、他方の端子２６は電気絶縁材料２７を介して前記端子板２５を貫通し、圧電体２３の下面に接触する導電体２８に接続されている。圧電体２３には複数の縦溝２９が形成してある。

端子２４、２６を介して圧電体２３に電圧が加わると、この圧電体２３は圧電現象により振動する。

図５の圧電体２３は約５００ＫＨｚで振動し、その振動はケース２１から整合層１９に伝わり音響整合層１９の振動が気体に音波として伝搬する。

一般に音響整合層１９と天部２２は接着剤により接着されるが、音響整合層１９の壁面に微小な凹凸が存在すると、接着剤がその凹凸に対して起点となりその壁面にせり上がる現象が起きる。

これに対して、本実施形態の製造方法により作成された音響整合層１９は側壁表面が平滑であるために、接着剤がその表面にまでせりあがる現象は発生せず、製造した音響整合層１９を全て超音波センサに組立てることができるために、生産効率が向上する。

さらに、この音響整合層１９を用いた超音波センサは、流体の流れ測定装置に用いられる。すなわち、流路の流体流れ方向上流側と下流側に少なくとも一対の超音波センサを配置し、一方の超音波センサから送信された超音波が他方の超音波センサに受信されるまでの時間、すなわち超音波伝搬時間を検知して、それから流体の流速を測定できるようにすることができる。

また、前記流速に基づき流路の断面積などの要素を絡めて演算することで流量の測定も可能である。

そして、先述したように、超音波センサが高性能であるために、流速およびまたは流量の計測が高精度に行えるものである。

以上のように、本発明にかかる音響整合部材の製造方法およびこの音響整合部材を音響整合層として用いた超音波センサ並びに超音波センサを用いた流体の流れ測定装置は、音響整合部材の側壁表面が平滑であるために、そこから採取される音響整合層側壁の平滑性は安定し、製造した音響整合部材をすべて使用でき、製造効率向上に大きく寄与する。

また、この音響整合層を用いた超音波センサの性能を向上し、さらには、この超音波センサを搭載した流体の流れ測定装置としても著しくその精度を高めることが可能となるので、気体や液体の流体流れ測定装置等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における製造工程図 （ａ）収納体を納めた整合部材作成治具の斜視図（ｂ）収納体内に結合材料を吸引するとき状態断面図 複数の収納室を備えた収納体の斜視図 本発明実施の形態１における収納体を誘導加熱装置上に設置する製造工程図 本発明整合層を用いた超音波センサの断面図 従来の整合部材の製造工程図

符号の説明

７ 収納体
８ 収納室
９ 中空球体
１１ 結合材料
１６ 混合物
１７ 誘導加熱手段（誘導加熱装置）
１８ 音響整合部材
１９ 音響整合層
２１ 筒状ケース
２３ 圧電体

Claims (10)

1. 収納体の収納室に中空球体と結合材料の混合物を収納し、次いで、前記混合物に第一の硬化工程と第二の硬化工程を実施することを特徴とする音響整合部材の製造方法。
2. 第一の硬化工程は、所定の手段を用いて収納体を直接加熱することを特徴とする請求項１記載の音響整合部材の製造方法。
3. 所定の手段は、誘導加熱手段を用いることを特徴とする請求項２記載の音響整合部材の製造方法。
4. 第二の硬化工程は、第一の硬化工程を経た混合物を雰囲気加熱で硬化させることを特徴とする請求項１記載の音響整合部材の製造方法。
5. 中空球体と結合材料の混合物を硬化させた後、所定長さに切断することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の音響整合部材の製造方法。
6. 結合材料は熱硬化性樹脂化合物であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の音響整合部材の製造方法。
7. 中空球体はガラス組成を含むことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の音響整合部材の製造方法。
8. 請求項１〜６いずれか１項記載の製造方法で製造した音響整合部材を音響整合層として備えた超音波センサ。
9. 筒状ケースの内壁面に固定された圧電体と、前記筒状ケース外壁面に接着層を介して配置した音響整合層とを具備した請求項８記載の超音波センサ。
10. 請求項７または８記載の超音波センサを流体の流れ方向に少なくとも一対配置し、前記超音波センサ間の超音波伝搬時間にもとづき流体の速度およびまたは流量を検知するようにした流体の流れ測定装置。

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