JP2008147731A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック多孔体と有機ガラスからなる整合層内の気泡径を制御することを目的とする。
【解決手段】無機系材料を用いるスラリー３中に熱膨張性樹脂４を添加し、第１の加熱工程により前記熱膨張性樹脂４を発砲させて、中空球状粒子５を作成ご、第２の加熱工程でセラミック多孔体を焼成して、制御された気泡中に有機ガラス７を形成して、整合層９の内部の密度が安定し、音響インピーダンスが一定な整合層９を作成することにより、出力安定な超音波センサを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波センサの音響性能を向上する整合層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整合層の製造方法は、例えば、図６（ａ）に示すように、容器１９にマイクロバルーン２０と樹脂２１とを混入した後、図６（ｂ）に示すようにその容器１９ごと遠心分離器２２内に設置して駆動させる。そして、図６（ｃ）に示すようにガラスマイクロバルーン２０と樹脂２１の混合物の中で、比重差を用いて比重の軽いガラスマイクロバルーンが主成分の第１の樹脂層２１ａと、比重の重い樹脂層のみからなる第２の樹脂層２１ｂに分離させて、容器１９内下部には、樹脂２１のみからなる第２の樹脂層２１ｂと容器１９内上部にガラスマイクロバルーン２０が主成分の第１の樹脂層を形成し、その後、ガラスマイクロバルーン２０が主成分の第１の樹脂層２１ａだけを取り出して整合部材とし、これを加工後、整合層とする方法がある（特許文献１参照）。

また、樹脂２１に変えて酸化物系セラミックスのような無機材料を用い、さらにガラスマイクロバルーンの代わりに気泡を、セラミック中に複数の気孔を有するセラミック多孔体の形成方法が知られている（特許文献２参照）。

これは、整合層は空気中に超音波を伝達するためには、整合層の音響インピーダンスを低くすることが必要となり、そのために樹脂層の中で気泡を安定的に保持するために、ガラス組成からなる中空球体を配合することが考えられてきたが、音響インピーダンスをもっと低減させて超音波の伝達効率をあげるために、空気の気泡を形成して整合層とする構想が考えられてきた。
特許第２６３４１６１号公報 特開２００１−２６１４６３号公報

しかし、この従来の製造方法では、ガラス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、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ているために、整合部材の生産効率が低い製造方法である。

また、無機系材料に安定した気泡径を有する気泡を形成するには、ミキサー等を用いてスラリーに気泡を導入するが、整合部材のような一定長さを有する棒形状中にスラリーを流し込む場合、流し込む作業によりせっかく導入した気泡を消泡させてしまい、整合部材中の気泡径分布が一定にならず、整合部材から一定厚みを取り出す整合層のなかで、均一な気泡径を有する整合層を得ることができず、整合層としての空気の気泡径が安定しないため、整合層によっては、超音波を効率的に空気中に伝達することができないため、超音波センサとしての出力が整合層個々によって異なるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、整合層として無機系材料中に気泡径を安定的に制御することができる整合部材を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波センサは、端子より導電体を介して電圧を印加することで所定の超音波を出力する圧電体をケースに収納し、前記ケースの天部に整合層を設けて安定な超音波の出力を得るようにした超音波センサであって、前記整合層は、無機粉末材料を主成分として調整したスリラーに液状ガスを内包した熱膨張性樹脂を混合した中空球体樹脂含有スリラーをゲル化したのち所定の熱処理を施し、スリラー中の中空球体樹脂を膨張させ所定の粒径を有する中空球状粒子を形成した整合部材を構成し、この整合部材の中空球状粒子内に有機ガラスの乾燥ゲルを形成して、均一なガラス球体を内包するセラミック多孔体で構成したものである。

上記発明によれば、整合部材内部に一定範囲の加熱に膨張して体積が増加する熱膨張性中空球体を配合し、さらに整合部材を作成するときに、熱膨張性中空球体を膨張させるための第一の加熱工程と、無機材料を焼成硬化させる第二の加熱工程を実施する２段階の加熱工程を提供することにより、気泡を破壊することなく整合部材中に均一な気泡径の気泡を含有したセラミック多孔体を得ることができる。

本発明の超音波センサは、整合層内の気泡径が一定範囲内に制御できるので、無機材料への気泡導入方法が簡易にしかも安定的に実施することができ、さらに、整合部材中の気泡径が一定範囲となるため、そこから取り出される整合層の生産性も向上する。この整合層中に有機ガラスを形成してさらに音響インピーダンスを低減させた整合層を搭載した超音波センサは、整合層内の気泡径が均一なので、整合層内を伝達する超音波音速は一定となり、音響インピーダンスが安定するので、整合層違いによる超音波出力の違いが少なく、超音波センサ出力の信頼性を向上させることができ、この超音波センサを搭載した流体計測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、端子より導電体を介して電圧を印加することで所定の超音波を出力する圧電体をケースに収納し、前記ケースの天部に整合層を設けて安定な超音波の出力を得るようにした超音波センサであって、前記整合層は、無機粉末材料を主成分として調整したスリラーに液状ガスを内包した熱膨張性樹脂を混合した中空球体樹脂含有スリラーをゲル化したのち所定の熱処理を施し、スリラー中の中空球体樹脂を膨張させ所定の粒径を有する中空球状粒子を形成した整合部材を構成し、この整合部材の中空球状粒子内に有機ガラスの乾燥ゲルを形成して、均一なガラス球体を内包するセラミック多孔体で構成したことを特徴とするものである。

そして、整合部材内部に一定範囲の加熱に膨張して体積が増加する熱膨張性中空球体を配合し、さらに整合部材を作成するときに、熱膨張性中空球体を膨張させるための第一の加熱工程と、無機材料を焼成硬化させる第二の加熱工程を実施する２段階の加熱工程を提供することにより、気泡を破壊することなく整合部材中に均一な気泡径の気泡を含有したセラミック多孔体を得ることができる。

第２の発明は、整合部材は、中空球体樹脂含有スリラーをゲル化したのち、中空球体樹脂を形成するポリマー殻が破壊しない程度の温度を印加して所定の粒径まで熱膨張させる第１加熱工程を経たのち、前記第１加熱工程より高い温度を印加する第２加熱工程で前記ポリマー殻を破壊し、所定の大きさを有する気泡を形成するようにしたことを特徴とするものである。

そして、第一の加熱工程は、雰囲気加熱手段を用いて混合物を加熱して、前記混合物内の熱膨張性樹脂の少なくとも一部を熱膨張させて、前記混合物内に中空球状粒子を形成するので、第一の加熱工程により無機材料の焼成硬化前に中空球体を十分に膨張反応を実施
することができ、ミキサー等による無機材料の撹拌により気泡径を導入する工程よりも安定で、確実に無機材料中に気泡を内包させることができる。また、無機材料の焼成する温度前に気泡を形成するので、焼成前に気泡を消失させることはない。

さらに、第二の加熱工程は、加熱膨張した中空球体樹脂を含む混合物を第一加熱工程よりも高い温度での雰囲気加熱手段を用いて加熱し、前記混合物内に複数の気泡を形成し、前記混合物が焼成硬化して成型物を形成して前記気泡を含有したセラミック多孔体を形成するので、無機材料の加熱焼成中に気泡を消失させずに制御された気泡径を有するセラミック多孔体を得ることができる。

第３の発明は、整合層あるいは整合部材は、所定容積を有する収納室を用いて所定の形状に形成したのち、所定の厚さに切断して所望の寸法を確保するようにしたことを特徴とするものである。

そして、無機材料マトリクスに内包している気泡径は一定範囲であるので、密度を一定範囲に制御することができるとともに、生産性を向上することができる。

第４の発明は、整合層あるいは整合部材は、必要な寸法、形状を予め設定した収納室を用いて形成し、一方端以外の面に気泡の形成をなくすようにしたことを特徴とするものである。

そして、一方端以外の面に気泡の形成をなくすようにしているため、整合層面から伝達される音波の波長を乱すことがなく、出力の低下がない安定した出力を確保することができる。

第５の発明は、流量計測手段として用いたことを特徴とするものである。

そして、圧電体からの振動を整合層が効率よく気体中に音波として伝搬させることができ、流体の速度を瞬時に測定し、流速に基づき流路の断面積などの要素を考慮して演算することで、流量の測定も可能となる。

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は、本発明の第１の実施の形態における整合部材ならびに整合層の製造方法の流れを概略工程図で示すものである。

図１に示す収納体１内に所定容積を有する収納室２があり、前記収納室２には、炭化珪素などの酸化物系セラミックスからなる無機材料と水あるいは有機溶剤およびゲル化剤を配合してスラリーを作成し、さらに前記スラリーに熱膨張性樹脂からなる中空球体を含有した中空球体樹脂含有のスラリー３を収納する。この収納体１に流し込まれた中空球体樹脂含有スラリー液３を収納室２形状に成型して、加熱工程に次いで、スラリーを酸化焼成する焼成工程を経て、セラミック多孔体を得る。

本発明の中空球体樹脂含有スラリー液の製造方法は、無機材料粉末と低融点ガラスを水あるいは有機溶剤と架橋剤および中空球体樹脂を混合する。

無機粉末材料は、酸化物系セラミックス材料であり、炭化珪素、アルミナ、ジルコニアやシリカコーディエライトなど、または、数種類の酸化物系セラミック材料の配合組み合
わせた複合酸化物系を主成分とする。この無機材料粉末と低融点ガラスとを十分細かく粉砕する。粒径は１０um以下となるようにする。この粉砕した粉体に水あるいは有機溶剤により均一に分散するように混合する。有機溶剤には、エチルアルコールやメチルアルコールが用いられる。ゲル化剤としては、メタクリルアミド、ジメチルアミノエチルメタクリレートなどが用いられる。以上、ここまでスラリー液を焼成硬化させて得られる無機材料系セラミックス材料の配合構成であれば、いかなる構成であってもよい。

前述のように形成したスラリーに熱膨張性樹脂４を混合する。この熱膨張性樹脂は、液状ガスを内包したポリマー殻で形成されている。これらの球体の平均粒径は、約１０〜１５umである。

セラミック多孔体４を形成する方法を説明する。収納体１中の収納室２に熱膨張性中空樹脂４を含有したスラリー３を注入する。一定時間を経過させてスラリーがゲル化して固形した後、前記収納体１を雰囲気加熱する恒温槽に設置し、スラリー３を第１の加熱工程である加熱乾燥させる。加熱温度は、約５０℃〜８０である。図２（ａ）（ｂ）に示すように、この加熱工程により、収納室２中のスラリー固形物の中の熱膨張性樹脂４の殻の内部ガス圧が増加し、熱可塑性プラスチックの殻が軟化することで体積が劇的に増加し、中空球粒子５に変化する。

これにより、スラリー３が固形化したなかで中空球粒子５が中空の形状を保持したままスラリー３を加熱焼成することができる。気泡を導入する方法としては、スラリー３を撹拌機により、スラリー３中に空気の気泡を含有させる方式がある。しかし、図１のように、収納室２に流し込む際にスラリー３内の気泡が流し込み作業中のスラリー３への衝撃による消泡や、収納室２に流し込んだ後、スラリー３上部の重さにより、収納室３の下部での気泡が消泡のために、収納室２形状で、気泡量が一定量に保持できなくなってしまう。

第１の加熱工程により、スラリー３の固形物中に中空粒子５を発生させた後、収納室２から脱型し、第２の加熱工程として、前記スラリー３の固形物を１０００℃〜１５００℃の温度で所定の時間加熱する。これにより、中空球粒子５を構成している熱可塑性プラスチックを焼き飛ばしすることにより、気泡を形成した後、セラミック多孔体を焼成する。気泡は、焼き飛ばす際に連通孔を形成する場合や独立気泡として存在する場合もある。また、収納体１中の収納室２は、１つしか記述していないが、生産性を考慮して収納室２は複数あってもかまわない。また、第１の加熱工程では収納体１ごと加熱したが、収納室２に流し込んだスラリー３を所定温度、時間で乾燥後、脱型した後のスラリー３の固形物のみを第１の加熱工程に続いて、第２加熱工程に実施してもなんら問題はない。

図３（ａ）に、完成したセラミック多孔体を一定の厚みに切断してそのそれぞれの密度を測定した結果を記載する。発明の実施の形態１のように作成したセラミック多孔体６を一定の厚みに切断した。このときのセラミック多孔体６の形状は円柱で、一枚のセラミックの厚みを０．７５ｍｍに切断し、１本のセラミック多孔体から６０枚のセラミック多孔体を採取した。

このとき、スラリー３を流し込んだとき、円柱の一番下部にできたセラミック多孔体層を１番と名付け、次に一定厚みに切断されてできたセラミック多孔体層を２番とし、このような方法で上部に行くほど順番に名付け、セラミック多孔体の一番上で切断された層を６０番とする。

その結果を図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のグラフで表す。図３（ｂ）は、本発明の実施の形態１により作成したセラミック多孔体層の密度であり、図３（ｃ）、（ｄ）は、比較のために、スラリーをミキサーにより撹拌して気泡を導入し従来の方法で作成したセラミ
ック多孔体層の密度である。

図の密度分布からわかるように、本発明のセラミック多孔体層は、完成したセラミック多孔体層の密度はどの部分をとても安定しているが、ミキサーにより気泡導入した比較例のセラミック多孔体層の密度は、セラミック多孔体６の位置により、密度が変化していることがわかる。これは、従来の方法によるセラミック多孔体６中にできている気泡径が不安定なために、全体としてできたセラミック多孔体層の密度にばらつきがあるためである。番号が大きくなるにつれ、セラミック多孔体層の密度が小さくなるのは、スラリ−を収納室２に流し込む時にセラミック多孔体中の気泡が上部に集中してしまった、あるいは収納室２に流し込んだあと、収納室２下部の気泡がスラリー３の重さにたえられなくなり消泡した、と考えられる。また、番号が大きくなるにつれ、セラミック多孔体層の密度が大きくなるのは、流し込み作業中に収納室２の上部になるスラリー３中の気泡が消泡して、密度が大きくなったと考えられる。

このように本発明の実施の形態によるセラミック多孔体の製造方法では、どの位置をとっても気泡径が一定の密度が安定したセラミック多孔体層を得ることができる。

次に有機ガラス７の形成について説明する。整合層としての有機硝子７としては、音速が小さく、密度が低いことが要求される。エトキシラン、あるいはメトキシシランなどのガラス原料を触媒を用い十分活性な状態で、メチルあるいはエチルなどのアルコール系溶媒に分散させる。この溶液をアンモニア水などの触媒を添加するとともに、十分に脱気したセラミック多孔体６に含浸させて熟成させて、溶媒を多く含んだ有機ガラスの湿潤ゲルを得る。この湿潤ゲルは、セラミック多孔体６の内部とくに前述で作成した気泡中に形成される。このように形成された有機ガラスは、セラミック多孔体６に強固に密着することになり、信頼性の高い整合部材として機能させることができる。この湿潤ゲルの内部の溶媒を乾燥し、有機ガラスの乾燥体を得る。このようにして、音速が小さく、密度の低い有機ガラス７を形成する。有機ガラス７は、酸化珪素、酸化チタン、ジルコニア、あるいは、アルミナなどで形成してもよい。

このように作成した整合部材８を所定の厚みに切断して超音波センサとして用いる整合層９として供される。

また、整合部材８あるいは整合層９の寸法、形状を超音波センサに使用する場合の寸法、形状になるように、予め収納室２の寸法、形状を決めておけば、出来上がり時に収納室２の上部以外の面は収納室２の内面に接触して気泡を形成することがなくなり、この気泡が形成されない面を有することで、整合層面から伝達される音波の波長を乱すことがなく、出力の低下がない安定した出力を確保することができる。

（実施の形態２）
図５は、上記実施の形態により得た整合層９を使用した超音波センサの断面図である。

導電性材料製の筒状のケース１０には天部１１があり、その天部１１の内壁面に圧電体１２が、外壁面に整合層９がそれぞれ接着されている。

筒状ケース１０の下方開放部は一方の端子１３を接続した端子板１４で閉塞されている。他方の端子１５は電気絶縁材料１６を介して端子板１４を貫通し、圧電体１２の下面に接触する導電体１７に接続されている。圧電体１２には複数の縦溝１８が形成してある。

端子１３，１５から導電体１７を介して圧電体１２に電圧が加わると、この圧電体１２
は圧電現象により振動する。

図５の圧電体１２は約５００ＫＨｚで振動し、その振動はケース１０から整合層９に伝わり整合層９の振動が気体に音波として伝搬する。

一般に整合層９と天部１１は接着剤により接着されるが、整合層９内部中の有機ガラス７を内包している気泡の大きさが整合層９内部で異なると整合層９面から伝達される音波の波長が乱れ、出力が低下してしまう現象があり、さらにその課題は、他の整合層９を搭載している超音波センサ間でも発生して一様な出力を発生する超音波センサを得ることができないこととなる。

これに対して、本発明の実施形態の製造方法により作成された整合部材８から採取した整合層９は、一定な気泡径を有しさらにその気泡中に有機ガラスが一様に形成されるため、整合層９ごとに出力が一様でない超音波センサが発生することはなく、出力が安定した超音波センサを安定的に製造することができる。

さらにこの整合層９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、超音波センサが出力安定で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。

本発明の超音波センサは、整合層内の気泡径を一定に制御でき、その気泡中に有機ガラスを一様に作成することができるので、この整合層を用いた超音波センサの出力不安定発振出力をなくすことができるので、超音波センサを搭載した気体や液体の流量測定装置等に適用できる。

本発明の実施の形態１における収納室にスラリーを充填する概略図 本発明の実施の形態１における整合部材の第一加熱工程による中空粒子状の発生概略図 （ａ）セラミック多孔体の密度測定方法の概略図（ｂ）本発明の実施の形態１によるセラミック多孔体層の密度分布を示す図（ｃ）、（ｄ）比較例によるセラミック多孔体層の密度分布を示す図 整合部材の概略図 本発明の実施の形態１における整合層を用いた超音波センサの断面図 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）従来の整合部材の製造工程図

符号の説明

１ 収納体
２ 収納室
４ 熱膨張性樹脂
５ 中空球状粒子
６ セラミック多孔体
７ 有機ガラス
８ 整合部材
９ 整合層

Claims (5)

1. 端子より導電体を介して電圧を印加することで所定の超音波を出力する圧電体をケースに収納し、前記ケースの天部に整合層を設けて安定な超音波の出力を得るようにした超音波センサであって、
   前記整合層は、無機粉末材料を主成分として調整したスリラーに液状ガスを内包した熱膨張性樹脂を混合した中空球体樹脂含有スリラーをゲル化したのち所定の熱処理を施し、スリラー中の中空球体樹脂を膨張させ所定の粒径を有する中空球状粒子を形成した整合部材を構成し、この整合部材の中空球状粒子内に有機ガラスの乾燥ゲルを形成して、均一なガラス球体を内包するセラミック多孔体で構成した超音波センサ。
2. 整合部材は、中空球体樹脂含有スリラーをゲル化したのち、中空球体樹脂を形成するポリマー殻が破壊しない程度の温度を印加して所定の粒径まで熱膨張させる第１加熱工程を経たのち、前記第１加熱工程より高い温度を印加する第２加熱工程で前記ポリマー殻を破壊し、所定の大きさを有する気泡を形成するようにした請求項１記載の超音波センサ。
3. 整合層あるいは整合部材は、所定容積を有する収納室を用いて所定の形状に形成したのち、所定の厚さに切断して所望の寸法を確保するようにした請求項１または２記載の超音波センサ。
4. 整合層あるいは整合部材は、必要な寸法、形状を予め設定した収納室を用いて形成し、一方端以外の面に気泡の形成をなくすようにした請求項１または２記載の超音波センサ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波センサを用いた流体計測装置。