JP2006029982A

JP2006029982A - 成形型および音響整合部材、ならびに音響整合部材の製造方法

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Publication number: JP2006029982A
Application number: JP2004209277A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Taguchi; 良文田口; Zenichi Tanigaki; 善一谷垣
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: JP4540415B2

Abstract

【課題】性能の安定した音響整合部材を良好に成形することができる音響整合部材の製造方法、およびその製造方法に用いる成形型およびその製造方法により製造した音響整合部材を提供する。
【解決手段】貫通孔２およびこの貫通孔２につながる空隙部３が内部に設けられた成形型１の貫通孔内壁面２ａに、略筒形状の多孔質のフィルム５を配設して保持させ、成形型１により保持したフィルム５内に中空球体７を充填し、中空球体７が充填されたフィルム５内に結合材料を供給し、この結合材料の供給時に、前記空隙部３から前記フィルム５を通して成形型１の内部を減圧した状態で、前記結合材料を吸引しながらフィルム５内に導入し、中空球体７と前記結合材料とを硬化させて音響整合部材用の成形物を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を利用して気体や液体（すなわち流体）の流量、流速を測定する超音波流量計の音響整合部材およびその製造方法ならびにこの製造方法で用いる成形型に関するものである。

従来の超音波流量計に用いる超音波振動子としては、圧電体と、ケースと、整合部材とからなる構成のものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。図５および図６に、前記特許文献１に記載された従来の超音波流量計に用いる超音波振動子の断面図および斜視図を示す。超音波振動子５１は、圧電体５３をケース５２で覆い、ケース５２の天面５２ａに音響整合部材５４を接着した構成となっている。

音響整合部材５４は、中空球体と、前記中空球体を包囲する結合材料の混合物とから構成されており、内部にガラス中空球体と気泡とを有する樹脂材料からなる整合部材の構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。また、この種の音響整合部材５４を成形する成形型に関して、例えば特許文献３に、樹脂中の気体を除去する構造の成形型が開示されている。
特開平１１−１１８５５０号公報特許２５５９１４４号公報特開２００３−２３６８４３号公報

しかしながら、前記特許文献２に記載の従来の音響整合部材は、成形された音響整合部材中に気泡を多く含むため、音響整合部材の密度が安定せず、従って製造された超音波振動子５１の性能が安定しないという課題を有する。

また、前記特許文献３に記載の従来の成形方法は、プレス構造の成形型を用いるため、この方法を音響整合部材の成形に用いようとした場合に、圧力で破損し易い中空球体を充填すると、中空球体が損傷するおそれがある。したがって、この成形方法を音響整合部材の成形に用いるには適しておらず、また厚いセラミック部材を通して細密に充填された中空球体の間の気体を除去する必要があるため、十分に気体を除去することができないという課題も有している。

本発明は上記課題を解決するもので、性能の安定した音響整合部材を良好に成形することができる音響整合部材の製造方法、およびその製造方法に用いる成形型およびその製造方法により製造した音響整合部材を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の成形型は、多数の中空球体とこれらの中空球体同士を結合させる結合材料とがその内部に充填され、充填後に前記中空球体と前記結合材料とを硬化させて成形物を得る際に使用される成形型であって、内壁面の少なくとも一部が略筒形状の多孔質のフィルムにより被覆され、前記内壁面により前記フィルムが保持されている。

また、本発明の請求項２に記載の成形型は、フィルムは、金属粉焼結体またはセラミック部材をコーティング処理したものであり、前記コーティング材料は、結合材料に対して低密着性を有する。

また、本発明の請求項３に記載の成形型は、フィルムは、フッ素樹脂繊維で構成されている。
また、本発明の請求項４に記載の成形型は、成形型の内部に、フィルムを周面に沿って保持するための保持部と、この保持部に臨む空隙部とを、等間隔あるいは不等間隔に設けた。

また、本発明の請求項５に記載の音響整合部材の製造方法は、貫通孔およびこの貫通孔につながる空隙部が内部に設けられた成形型の貫通孔内壁面に略筒形状の多孔質のフィルムを配設して保持させる工程と、成形型により保持したフィルム内に中空球体を充填する工程と、中空球体が充填されたフィルム内に結合材料を供給し、この結合材料の供給時に、前記空隙部から前記フィルムを通して前記成形型の内部を減圧した状態で、前記結合材料を吸引しながらフィルム内に導入する工程と、前記中空球体と前記結合材料とを硬化させて音響整合部材用の成形物を得る工程とを有する。

また、本発明の請求項６に記載の音響整合部材の製造方法は、フィルムから成形物を取り出した後に、切断して音響整合部材を得る。
また、本発明の請求項７に記載の音響整合部材の製造方法は、成形物が硬化したフィルムごと成形型から取り出し、フィルムとともに成形物を切断して音響整合部材を得る。

また、本発明の請求項８に記載の音響整合部材の製造方法は、成形型に配設したフィルム内に中空球体を充填する際に、成形型に振動を与える。
また、本発明の請求項９に記載の音響整合部材の製造方法は、フィルムは、金属粉焼結体またはセラミック部材をコーティング処理したものであり、前記コーティング材料は、結合材料に対して低密着性を有する。

また、本発明の請求項１０に記載の音響整合部材の製造方法は、フィルムは、フッ素樹脂繊維で構成されている。
また、本発明の請求項１１に記載の音響整合部材は、多数の中空球体とこれらの中空球体同士を結合させる結合材料とから構成された音響整合部材であって、表面の少なくとも一部が多孔質のフィルムで被覆されている。

上記請求項１〜４に記載の成形型を用いながら、請求項５〜１０に記載の製造方法を実行することで、中空球体を圧力で破損させることなく、中空球体を細密に充填させることができるとともに、細密に中空球体が充填された成形型内の残存気体および結合材料から発生した気体を速やかに除去して結合材料を吸引しながら、成形型内に結合材料を導入することができ、中空球体が細密かつ均一に結合した成形品を得ることも可能となる。また、フィルムは貫通孔の内壁面によって保持されるため、その変形を抑えることができ、気体の除去と成形品の良好な寸法精度をも両立できる。

以上のように、本発明の成形型および音響整合部材、ならびに音響整合部材の製造方法によれば、細密に中空球体が充填された成形型内であっても、速やかに気泡を抜くことができ、したがって音響整合部材の密度が安定し、超音波振動子の性能を安定させることができる。

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。
（実施の形態１）
図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る音響整合部材の製造方法に用いる成形型を縦方向に２分割したものの平面断面図および正面断面図を示し、図２は音響整合部材の製造装置を簡略的に示す図、図３は、成形型から、音響整合部材の成形品を取り出す様子を示す縦断面図である。

この図１（ａ）および（ｂ）に示す、音響整合部材を成形するための成形型１は、真鍮材料にフッ素樹脂によるコーティングを施したものであるが、成形型１の材料として利用可能なものであればよく、この限りではない。また、成形型１の内部には、上下に貫通する貫通孔２が形成され、この貫通孔２の内壁面（後述する内壁保持部）は、必ずしも必要ではないが離型処理を施したものが好適である。貫通孔２は、成形品４の外形と略同じ形状をしており、その外周側に、断面半円形の溝部などからなる空隙部３が、貫通孔２につながって開口した状態で、貫通孔２の外周に対して等間隔あるいは不等間隔に複数設けられている。なお、この実施の形態では貫通孔２は成形型１内の中央部の１箇所だけに設けている場合を示しているが、成形型１内において上下方向に貫通する貫通孔２を複数箇所に設けても良い。

成形型１における貫通孔２の内壁面は、略円筒形状のフィルム５により被覆され、このフィルム５内に、多数の中空球体７と、これらの中空球体７同士を結合させる結合材料９とが充填される（図１（ａ）および（ｂ）においては、中空球体７および結合材料９が充填されている状態を示している）。このフィルム５は、フッ素樹脂繊維を引き伸ばして、結合材料９としての溶融樹脂が通過しない程度の通気性を持たせ、その内面形状が成形品４の外形となる略円筒形状に形成し、外面形状を貫通孔２の内壁保持部２ａに沿って保持されるように構成したものである。また、このフィルム５は、肉厚が２０μｍ〜１ｍｍのものであるが、通気性と、結合材料９に対する低密着性、および強度が確保されれば、材料および肉厚はこの限りでなく、例えばセラミック部材や金属粉焼結体に、低密着性のコーティング材料を離型コーティング処理させたものであってもよい。

また、前記中空球体７は、中空構造を有する中空ガラスであり、それぞれ１０μｍから１５０μｍの粒径を有しているが、中空構造を有するものであれば材料および粒径はこの限りではない。また、結合材料９として、この実施の形態では２液性のエポキシ樹脂を用いたが、もちろん接着が可能な材料であれば材質はこの限りではない。

前記成形型１を用いて、音響整合部材のもととなる成形品４を製造する場合には、まず、成形型１の下面にフィルタ６を設置して、貫通孔２の底面を含めた成形型１の下面側を覆った後、フィルム５で囲まれた空間内に、中空球体７を細密に充填し、その後、成形型１の上面にもフィルタ８を設置する（図２参照）。このとき、貫通孔２内に保持したフィルム５内に中空球体７を細密に充填させるため、成形型１を加振装置上に設置して振動させながら中空球体７を充填する。もちろん、貫通孔１内に保持したフィルム５内に中空球体７を細密に充填できるなら、この方法に限るものではない。

次に、貫通孔２内に結合材料９を含浸させるために、吸引ブロック１０、１１を成形型２の上下両端に設置し、一方の吸引ブロック（例えば、下側の吸引ブロック１１）に設けた樹脂供給口１２を、結合材料９の入った容器１３と連結する。同様に、他方の吸引ブロック（例えば、上側の吸引ブロック１０）に設けた吸引口１４を真空ポンプ１５に接続し、この真空ポンプ１５により容器１３内の結合材料９を吸引する。

なお、吸引時には結合材料９の粘度を低くすると、流動性が高くなり吸引しやすくなるが、粘度を低くしようとして結合材料９を高温にすると、結合材料９からの気体１６の発生が増え、また結合材料９が硬化するため、流動性がある程度ありながら、結合材料９が硬化または発泡せず、かつ粘度が低くなる所定の温度で吸引することが好ましい。本実施の形態では、使用した結合材料９は硬化条件が８０℃×２時間、その後１５０℃×２時間であるエポキシ樹脂を使用したため、結合材料９を６０℃に保持した状態で吸引した。

次に、成形型１から吸引ブロック１０、１１を取外し、成形型１を恒温槽内に設置し、成形型１を加熱して結合材料９を硬化させる。本実施の形態では加熱硬化工程おいて恒温槽を使用しているが、加熱硬化が可能であれば加熱方法はその限りではなく、電熱線や誘導加熱を用いて硬化させても良い。

加熱硬化が終了した後、成形型１を冷却し、成形型１内の成形品４を取り出す。この成形品４をそのまま所定厚みに切削加工して、音響整合部材１７を得る。
なお、本実施の形態においては、成形品４を切削加工することにより所定厚みを得たが、貫通孔２の厚みを音響整合部材１７の１枚分の厚みとしておいてもよく、この場合には切断工程を省くことができる。

かかる構成によれば、中空球体７を圧力で破損させることなく、中空球体７を細密に充填させることができるとともに、細密に中空球体７が充填された成形型１内の残存気体および結合材料９から発生した気体１６を速やかに除去して結合材料９を吸引することができ、中空球体７が細密かつ均一に結合した成形品４を得ることができる。また、フィルム５は貫通孔２に複数設けられた内壁保持部２ａによって保持されるため、その変形を抑えることができ、気体の除去と成形品４の良好な寸法精度を両立できる。かかる構成の成形品４は、細密に中空球体７が充填されていながら、密度も安定しているので、超音波振動子に用いる音響整合部材１７として好適である。また、フィルム５は取外しが容易なため、通気性や離型性が悪化した際に容易に交換できる。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における音響整合部材の製造工程（成形品４の取出工程）を示す図である。なお、上記実施の形態１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

この実施の形態２においても、上記実施の形態１に記載の製造方法と同様に、成形型１の貫通孔２における内壁保持部２ａによって保持したフィルム５内に中空球体７を充填した後、結合材料９を吸引し、これらの中空球体７および結合材料９を加熱して結合材料９を硬化させる。しかし、この実施の形態２では、この後に、フィルム５と成形品４とを、一緒に成形型１から取り出し、その後、フィルム２と成形品４とが付着した状態のままで所定厚みに切削加工を行い、音響整合部材１７を得る。

なお、本実施の形態２において、成形品４を切削加工することにより所定厚みを得たが、貫通孔２の厚みを音響整合部材１７の１枚分の厚みとしておくことで切断工程を省くことができる。

かかる構成によれば、貫通孔２の内壁保持部２ａによって部分的に支持されたフィルム５を、成形型１の貫通孔２から抜き取るので、例えば抜きテーパの無い直円筒の貫通孔２であっても取り出された成形品４に傷が入らず、取出し後の成形品４や音響整合部材１７の研磨や表面処理が必要ない。したがって、製造工程における手間や時間を少なめに抑えることができて、製造コストを低減させることができる。

本発明の成形型および音響整合部材、ならびに音響整合部材の製造方法は、整合部材の内部に気泡を含まず均一な音響整合部材の製造方法として用いることができるだけでなく、フィラー等の充填材を含有する樹脂材料の成形方法としても適用できる。

（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態１、２に係る音響整合部材の製造方法に用いる成形型（縦方向に２分割したもの）の平面断面図および正面断面図本発明の実施の形態１、２に係る音響整合部材の製造方法に用いる製造装置を簡略的に示す図本発明の実施の形態１に係る音響整合部材の製造方法において音響整合部材の成形品を取り出す様子を示す縦断面図本発明の実施の形態２に係る音響整合部材の製造方法において音響整合部材の成形品を取り出す様子を示す縦断面図従来の超音波振動子の斜視図同従来の超音波振動子の断面図

符号の説明

１成形型
２貫通孔
２ａ内壁保持部（貫通孔内壁面）
３空隙部
４成形品
５フィルム
６、８フィルタ
７中空球体
９結合材料
１０、１１吸引ブロック
１２樹脂供給口
１３容器
１４吸引口
１５真空ポンプ
１６気体
１７音響整合部材

Claims

多数の中空球体とこれらの中空球体同士を結合させる結合材料とがその内部に充填され、充填後に前記中空球体と前記結合材料とを硬化させて成形物を得る際に使用される成形型であって、内壁面の少なくとも一部が略筒形状の多孔質のフィルムにより被覆され、前記内壁面により前記フィルムが保持されていることを特徴とする成形型。
フィルムは、金属粉焼結体またはセラミック部材をコーティング処理したものであり、前記コーティング材料は、結合材料に対して低密着性を有することを特徴とする請求項１に記載の成形型。
フィルムは、フッ素樹脂繊維で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
成形型の内部に、フィルムを周面に沿って保持するための保持部と、この保持部に臨む空隙部とを、等間隔あるいは不等間隔に設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の成形型。
貫通孔およびこの貫通孔につながる空隙部が内部に設けられた成形型の貫通孔内壁面に略筒形状の多孔質のフィルムを配設して保持させる工程と、
成形型により保持したフィルム内に中空球体を充填する工程と、
中空球体が充填されたフィルム内に結合材料を供給し、この結合材料の供給時に、前記空隙部から前記フィルムを通して前記成形型の内部を減圧した状態で、前記結合材料を吸引しながらフィルム内に導入する工程と、
前記中空球体と前記結合材料とを硬化させて音響整合部材用の成形物を得る工程とを有することを特徴とする音響整合部材の製造方法。
フィルムから成形物を取り出した後に、切断して音響整合部材を得ることを特徴とする請求項５に記載の音響整合部材の製造方法。
成形物が硬化したフィルムごと成形型から取り出し、フィルムとともに成形物を切断して音響整合部材を得ることを特徴とする請求項５に記載の音響整合部材の製造方法。
成形型に配設したフィルム内に中空球体を充填する際に、成形型に振動を与えることを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載の音響整合部材の製造方法。
フィルムは、金属粉焼結体またはセラミック部材をコーティング処理したものであり、前記コーティング材料は、結合材料に対して低密着性を有することを特徴とする請求項５〜８の何れか１項に記載の音響整合部材の製造方法。
フィルムは、フッ素樹脂繊維で構成されていることを特徴とする請求項５〜８の何れか１項に記載の音響整合部材の製造方法。
多数の中空球体とこれらの中空球体同士を結合させる結合材料とから構成された音響整合部材であって、表面の少なくとも一部が多孔質のフィルムで被覆されていることを特徴とする音響整合部材。