JP2008167147A - Ultrasonic wave transmitter-receiver and ultrasonic wave flow meter - Google Patents

Ultrasonic wave transmitter-receiver and ultrasonic wave flow meter Download PDF

Info

Publication number
JP2008167147A
JP2008167147A JP2006354266A JP2006354266A JP2008167147A JP 2008167147 A JP2008167147 A JP 2008167147A JP 2006354266 A JP2006354266 A JP 2006354266A JP 2006354266 A JP2006354266 A JP 2006354266A JP 2008167147 A JP2008167147 A JP 2008167147A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
group
formula
ultrasonic transducer
matching layer
ultrasonic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2006354266A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4888112B2 (en
Inventor
Shin Nakano
慎 中野
Daisuke Betsusou
大介 別荘
Kenzo Ochi
謙三 黄地
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2006354266A priority Critical patent/JP4888112B2/en
Publication of JP2008167147A publication Critical patent/JP2008167147A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4888112B2 publication Critical patent/JP4888112B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028Material parameters
    • G01N2291/02836Flow rate, liquid level
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028Material parameters
    • G01N2291/02881Temperature

Landscapes

  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic wave transmitter-receiver and an ultrasonic wave flow meter having little dispersion in characteristics and small characterization by reliability test. <P>SOLUTION: The ultrasonic wave transmitter-receiver is formed by infiltrating a joining member into a porous sound matching layer subjected to hydrophobing processing and joining the vibrating means and the sound matching layer to thereby bring the porous sound matching layer subjected to hydrophobing processing into contact with the joining member in a wider area, surely joining the sound matching layer and the joining member. Vibrations of the vibrating means are efficiently transmitted to the sound matching layer to provide an ultrasonic wave transmitter-receiver having little dispersion in characteristics and little deterioration in characteristics even by a reliability test. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、超音波を利用して気体の流量を計測する流量計測装置や、物体との距離を測定する距離計測装置に用いる超音波送受波器に関するもので、特に圧電振動子の音響インピーダンスと被測定流体の音響インピーダンスとの整合をとる音響整合層、さらにはこれを用いた超音波送受波器、超音波流量計に関するものである。   The present invention relates to an ultrasonic transducer for use in a flow rate measuring device that measures the flow rate of gas using ultrasonic waves and a distance measuring device that measures the distance to an object, and in particular, the acoustic impedance of a piezoelectric vibrator and The present invention relates to an acoustic matching layer that matches the acoustic impedance of a fluid to be measured, and further relates to an ultrasonic transducer and an ultrasonic flowmeter using the acoustic matching layer.

近年、超音波が流量計測部を伝搬する時間を計測し、流体の移動速度を測定して流量を計測する超音波流量計がガスメータ等に利用されつつある。このような超音波流量計では精度が要求され、その精度を向上させるために、気体に超音波を送波、または気体を伝搬して来た超音波を受波する超音波送受波器において、構成している音響整合層の音響インピーダンスが重要となる。   In recent years, an ultrasonic flowmeter that measures the time during which an ultrasonic wave propagates through a flow rate measurement unit, measures the moving speed of a fluid, and measures the flow rate is being used for a gas meter or the like. In such an ultrasonic flowmeter, accuracy is required, and in order to improve the accuracy, in an ultrasonic transducer that transmits ultrasonic waves to a gas or receives ultrasonic waves that have propagated through the gas, The acoustic impedance of the configured acoustic matching layer is important.

物質中の音速Cと密度ρとで式(4)のように音響インピーダンスZが定義される。   The acoustic impedance Z is defined by the sound velocity C and the density ρ in the substance as shown in Expression (4).

Z=ρ×C (4)
音響インピーダンスは振動手段である圧電振動子と超音波の放射媒体である気体とでは大きく異なる。例えば、一般的な圧電振動子である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(Z0)は30×10kg/m/s程度である。また、放射媒体である気体、例えば空気の音響インピーダンス(Z3)は400kg/m/s程度である。このような音響インピーダンスの異なる境界面上では音波の伝搬に反射を生じて、透過する音波の強さが弱くなる。これを解決する方法として、振動手段である圧電振動子と超音波の放射媒体である気体とのそれぞれの音響インピーダンスZ0とZ3に対して、両者の間に式(5)の関係を有する音響インピーダンスを持つ物質を挿入することによって、音の反射を軽減して音波の透過する強度を高める方法が一般に知られている。
Z = ρ × C (4)
The acoustic impedance differs greatly between a piezoelectric vibrator as a vibration means and a gas as an ultrasonic radiation medium. For example, the acoustic impedance (Z0) of a piezoelectric ceramic such as PZT (lead zirconate titanate), which is a general piezoelectric vibrator, is about 30 × 10 6 kg / m 2 / s. Further, the acoustic impedance (Z3) of a gas that is a radiation medium, for example, air, is about 400 kg / m 2 / s. On such boundary surfaces having different acoustic impedances, the propagation of the sound wave is reflected, and the intensity of the transmitted sound wave becomes weak. As a method for solving this problem, the acoustic impedances Z0 and Z3 of the piezoelectric vibrator as the vibration means and the gas as the ultrasonic radiation medium have an acoustic impedance having a relationship of the formula (5) between the two. In general, a method of increasing the intensity of sound wave transmission by reducing the reflection of sound by inserting a substance having the above is known.

Z=(Z0×Z3)(1/2) (5)
この条件を満たす音響インピーダンスが整合した時の最適な値は、11×10kg/m/s程度となる。この音響インピーダンスを満たす音響整合層は、固体で密度が小さく音速の遅いものであることが要求され、超音波送受波器としたときにおいても破壊しないことが要求される。
Z = (Z0 × Z3) (1/2) (5)
The optimum value when the acoustic impedance satisfying this condition is matched is about 11 × 10 4 kg / m 2 / s. An acoustic matching layer that satisfies this acoustic impedance is required to be solid, low in density, and low in sound speed, and not to be destroyed even when an ultrasonic transducer is used.

従来この種の超音波送受波器は、音響整合層は密度を小さく出来る空隙を備える多孔質体が用いられることがある。この種の超音波送受波は、空気中、あるいはガス中で使用されることが多く、使用状況によっては、高湿度条件で使用されることもある。このような状況では、多孔質体よりなる音響整合層の空隙部分が吸湿することがある。水の音響インピーダンスは、1.41×10kg/m/sであり、多孔質体よりなる音響整合層に比べ大きく、音響整合層が吸湿すると、見かけ上音響整合層の密度がおおきくなり、音速が速くなり、音響インピーダンスが大きくなる。これによって、空気あるいはガス中へ透過する音波の強さが弱くなるという課題がある。これに対し、多孔質体よりなる音響整合層の固体骨格が吸湿しないように音響整合層を疎水化処理しこのような課題を解決してきた(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−262394号公報
Conventionally, in this type of ultrasonic transducer, a porous body having a void that can reduce the density of the acoustic matching layer may be used. This type of ultrasonic transmission / reception is often used in air or in gas, and depending on the usage, it may be used under high humidity conditions. In such a situation, the void portion of the acoustic matching layer made of a porous body may absorb moisture. The acoustic impedance of water is 1.41 × 10 6 kg / m 2 / s, which is larger than that of an acoustic matching layer made of a porous material. When the acoustic matching layer absorbs moisture, the density of the acoustic matching layer is apparently increased. , The speed of sound increases and the acoustic impedance increases. As a result, there is a problem that the intensity of sound waves transmitted into the air or gas is weakened. On the other hand, the acoustic matching layer has been hydrophobized so that the solid skeleton of the acoustic matching layer made of a porous material does not absorb moisture, and such a problem has been solved (see, for example, Patent Document 1).
JP 2002-262394 A

しかしながら、前記従来の構成では、疎水化処理を施した音響整合層は接着剤で接合した場合音響整合層と接着剤との密着性が悪く、特性のばらつきが大きくなる。あるいは信頼性試験によって大きく特性が劣化することがある。   However, in the conventional configuration, when the acoustic matching layer subjected to the hydrophobization treatment is joined with an adhesive, the adhesion between the acoustic matching layer and the adhesive is poor, and the variation in characteristics increases. Or a characteristic may deteriorate greatly by a reliability test.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の化が小さい超音波送受波器を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide an ultrasonic transmitter / receiver that has a small variation in characteristics and that has small characteristics even in a reliability test.

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波送受波器は、疎水化処理を施した多孔質の音響整合層に接合部材を浸透させ振動手段と音響整合層とを接合してなる超音波送受波器としたものである。   In order to solve the above-described conventional problems, the ultrasonic transducer of the present invention is formed by infiltrating a bonding member into a porous acoustic matching layer subjected to a hydrophobization treatment and bonding the vibration means and the acoustic matching layer. This is an ultrasonic transducer.

これによって、疎水化処理した多孔質音響整合層と接合部材とがより多くの面積で接することになり、確実に接合され、振動手段の振動が音響整合層に効率よく伝わり、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器となる。   As a result, the hydrophobic acoustically treated porous acoustic matching layer and the joining member are in contact with each other in a larger area, reliably joined, and vibration of the vibration means is efficiently transmitted to the acoustic matching layer, and the characteristic variation is small. Even in the reliability test, an ultrasonic transducer with little deterioration in characteristics is obtained.

本発明の超音波送受波器は、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器とすることができる。   The ultrasonic transducer according to the present invention can be an ultrasonic transducer with small variation in characteristics and small degradation of characteristics even in a reliability test.

第1の発明は、疎水化した多孔質の音響整合層に接合部材を浸透させ振動手段と音響整合層とを接合してなる超音波送受波器とすることにより、接合部材が疎水化した多孔質音響整合層の複雑な空隙部に浸透して固化するため、音響整合層と振動手段とが確実に接合され、振動手段の振動が音響整合層に効率よく伝わり、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器となる。   According to a first aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic wave transmitter / receiver in which a bonding member is infiltrated into a hydrophobic porous acoustic matching layer and the vibration means and the acoustic matching layer are bonded to each other. Since it penetrates and solidifies in the complex voids of the quality acoustic matching layer, the acoustic matching layer and the vibration means are reliably joined, the vibration of the vibration means is efficiently transmitted to the acoustic matching layer, and the characteristic variation is small, reliability. It becomes an ultrasonic transducer with little deterioration of characteristics even by the test.

第2の発明は、一方の構造体で形成される多孔体において、その多孔体の空隙の一部または全部に他方の構造体を形成し、他方の構造体は、一方の構造体よりも小さい空隙を有する多孔体とし、一方の構造体および他方の構造体は疎水化した音響整合層に接合部材を浸透させ振動手段と音響整合層とを接合してなる超音波送受波器とすることにより、接合部材が疎水化した一方の構造体および他方の構造体の複雑な空隙部に浸透して固化するため、音響整合層と振動手段とが確実に接合され、振動手段の振動が音響整合層に効率よく伝わり、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器となる。   According to a second aspect of the present invention, in the porous body formed of one structure, the other structure is formed in part or all of the voids of the porous body, and the other structure is smaller than the one structure. By forming a porous body having voids, one structure and the other structure are ultrasonic transducers in which a bonding member is infiltrated into a hydrophobized acoustic matching layer and the vibration means and the acoustic matching layer are bonded. Since the bonding member permeates and solidifies into one of the hydrophobic structures and the complex voids of the other structure, the acoustic matching layer and the vibration means are securely bonded, and the vibration of the vibration means is Therefore, the ultrasonic transducer is small in characteristic variation and small in characteristic deterioration even in reliability tests.

第3の発明は、前記振動手段が密閉容器の内面に配置されてなり、前記音響整合層が密閉容器を介して前記圧電振動子と対向した外面に配置されている請求項1および2に記載の超音波送受波器とすることにより、振動手段が大気に触れることがないため、高温高湿下においても安定に動作し、長期にわたって安定した特性を維持することができる。   According to a third aspect of the present invention, the vibration means is disposed on an inner surface of the sealed container, and the acoustic matching layer is disposed on an outer surface facing the piezoelectric vibrator through the sealed container. By using this ultrasonic transducer, since the vibrating means does not come into contact with the atmosphere, it can operate stably even under high temperature and high humidity, and can maintain stable characteristics over a long period of time.

第4の発明は、接合部材は加熱によって一時的に粘度が低下し、硬化する部材よりなる請求項1および2に記載の超音波送受波器とすることにより振動手段と音響整合部材との間に形成した接合部材を加熱することによって容易に接合することができる。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the ultrasonic transducer according to claim 1 or 2, wherein the joining member is a member whose viscosity is temporarily lowered by heating and hardens. It can join easily by heating the joining member formed in this.

第5の発明は、接合部材は他方の構造体の空隙よりも小さい粒子を含む部材よりなる請求項2に記載の超音波送受波器とすることにより、接合部材の粘度を容易に調整でき、安定した厚みで形成、浸透させることができ、振動手段の振動が確実に音響整合層に伝わり、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器となる。   According to a fifth aspect of the invention, in the ultrasonic transducer according to claim 2, the joining member is made of a member containing particles smaller than the voids of the other structure, whereby the viscosity of the joining member can be easily adjusted. The ultrasonic transducer can be formed and penetrated with a stable thickness, the vibration of the vibration means is reliably transmitted to the acoustic matching layer, the characteristic variation is small, and the characteristic deterioration is small even by a reliability test.

第6の発明は、一方の構造体はセラミックよりなる請求項2に記載の超音波送受波器とすることにより、セラミックが無機物であるため広範な温度範囲においても特性変化が小さく、安定した超音波送受波器とすることができ、音響整合層を軽量とすることができるため、低音響インピーダンスの音響整合層となり、空気あるいはガス中へ透過する超音波の強さをより強くすることができる。   According to a sixth aspect of the present invention, when one of the structures is made of a ceramic, the ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the ceramic is an inorganic substance, so that the characteristic change is small and stable even in a wide temperature range. Since the acoustic matching layer can be made lightweight, the acoustic matching layer can be made low in acoustic impedance, and the intensity of the ultrasonic wave transmitted into the air or gas can be increased. .

第7の発明は、他方の構造体は有機ガラスよりなる請求項2に記載の超音波送受波器とすることにより、無機物であるため広範な温度範囲においても特性変化が小さく、安定した超音波送受波器とすることができ、音響整合層を軽量とすることができるため、低音響インピーダンスの音響整合層となり、空気あるいはガス中へ透過する超音波の強さをより強くすることができ、ゾルゲル法によって形成できるため、一方の構造体の空隙部に液体である原料を浸透させ、反応によって固体とすることができるため、一方の構造体の空隙部に他方の構造体を容易に形成することができる。   According to a seventh aspect of the present invention, the ultrasonic wave transmitter / receiver according to claim 2, wherein the other structural body is made of organic glass, and since it is an inorganic substance, its characteristic change is small even in a wide temperature range and stable ultrasonic waves are obtained. Since it can be a transducer, and the acoustic matching layer can be made lightweight, it becomes an acoustic matching layer with low acoustic impedance, and the intensity of the ultrasonic wave that penetrates into air or gas can be made stronger. Since it can be formed by the sol-gel method, a raw material that is liquid can be infiltrated into the void of one structure and can be made solid by reaction, so that the other structure can be easily formed in the void of one structure. be able to.

第8の発明は、セラミックは、難焼成セラミック粉末を有するセラミックスラリーに気泡を導入する工程と、前記セラミックスラリーをゲル化する工程と、前記ゲル化したセラミックスラリーを乾燥する工程と、前記ゲル化したセラミックスラリーを脱脂する工程と、前記ゲル化したセラミックスラリーを焼成する工程とで形成した請求項6に記載の超音波送受波器とすることにより、高い空隙率を実現することができ、音響整合層を軽量とすることができ、低音響インピーダンスの音響整合層となり、空気あるいはガス中へ透過する音波の強さを強くすることができる。   According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a ceramic, a step of introducing bubbles into a ceramic slurry having a hardly fired ceramic powder, a step of gelling the ceramic slurry, a step of drying the gelled ceramic slurry, and the gelation A high porosity can be realized by using the ultrasonic transducer according to claim 6 formed by the step of degreasing the ceramic slurry and the step of firing the gelled ceramic slurry. The matching layer can be reduced in weight, can be an acoustic matching layer with low acoustic impedance, and can increase the intensity of sound waves transmitted into air or gas.

第9の発明は、有機ガラスは、式(1)で表される化合物または式(1)で表される化合物の部分加水分解重合物を、重合させると共に乾燥してなるゲルを含有する請求項7に記載の超音波送受波器とすることにより、その他のオルガノシラン化合物に比べ短時間に反応させることができ、密度調整も容易である。   According to a ninth aspect of the invention, the organic glass contains a gel obtained by polymerizing and drying a compound represented by the formula (1) or a partially hydrolyzed polymer of the compound represented by the formula (1). 7 makes it possible to react in a shorter time than other organosilane compounds, and density adjustment is easy.

第10の発明は、有機ガラスは、式(1)で表される化合物または式(1)で表される化合物の部分加水分解重合物を、重合させてなる湿潤ゲルの存在下、加水分解性有機基と、非加水分解性有機基とが同一のケイ素に直接結合したオルガノシラン化合物を重合させると共に乾燥してなる請求項7に記載の送受波器とすることにより、強度と柔軟性を合わせ持った有機ガラスが得られ、これを用いた音響整合部材は、使用環境の温度変化によって被接合部材が伸縮しても、シリカ乾燥ゲルがその伸縮に追随するので、自らの破損を防止する効果があり、超音波送受波器は広い温度範囲において安定して動作をすることができる。   According to a tenth aspect of the present invention, the organic glass is hydrolyzable in the presence of a wet gel obtained by polymerizing a compound represented by the formula (1) or a partially hydrolyzed polymer of the compound represented by the formula (1). The transmitter / receiver according to claim 7, wherein an organic silane compound in which an organic group and a non-hydrolyzable organic group are directly bonded to the same silicon is polymerized and dried, thereby combining strength and flexibility. Organic matching glass is obtained, and the acoustic matching member using this is effective in preventing its own damage because the silica dry gel follows the expansion and contraction even if the bonded member expands and contracts due to temperature changes in the usage environment. Therefore, the ultrasonic transducer can operate stably in a wide temperature range.

第11の発明は、オルガノシラン化合物は、式(2)、(3)で表される加水分解性有機基と、非加水分解性有機基とが同一のケイ素に直接結合したオルガノシラン化合物を重合させると共に乾燥してなる請求項10に記載の超音波送受波器とすることにより、強度と柔軟性を合わせ持った有機ガラスが得られ、これを用いた音響整合部材は、使用環境の温度変化によって被接合部材が伸縮しても、シリカ乾燥ゲルがその伸縮に追随するので、自らの破損を防止する効果があり、超音波送受波器は広い温度範囲において安定して動作をすることができる。   In an eleventh aspect of the invention, the organosilane compound is obtained by polymerizing an organosilane compound in which the hydrolyzable organic group represented by the formulas (2) and (3) and the non-hydrolyzable organic group are directly bonded to the same silicon. An organic glass having both strength and flexibility can be obtained by using the ultrasonic wave transmitter / receiver according to claim 10, wherein the acoustic matching member is used to change the temperature of the usage environment. Even if the bonded member expands and contracts, the silica dry gel follows the expansion and contraction, so that it has the effect of preventing its own damage, and the ultrasonic transducer can operate stably in a wide temperature range. .

第12の発明は、オルガノシラン化合物は、式(4)で表される直鎖状ポリシロキサンジオールである請求項10に記載の超音波送受波器とすることにより、強度と柔軟性を合わせ持った有機ガラスが得られ、これを用いた音響整合部材は、使用環境の温度変化によって被接合部材が伸縮しても、シリカ乾燥ゲルがその伸縮に追随するので、自らの破損を防止する効果があり、超音波送受波器は広い温度範囲において安定して動作をすることが
できる。
In a twelfth aspect of the invention, the organosilane compound is a linear polysiloxane diol represented by the formula (4). The ultrasonic transducer according to claim 10 has both strength and flexibility. The organic matching glass using this has an effect of preventing its own damage because the silica dry gel follows the expansion and contraction even when the bonded member expands and contracts due to the temperature change of the use environment. In addition, the ultrasonic transducer can operate stably over a wide temperature range.

第13の発明は、オルガノシラン化合物は、式(5)と、式(6)との少なくとも一方と、式(7)で表される化合物との共重合体を含んだ請求項10に記載の超音波送受波器とすることにより、強度と柔軟性を合わせ持った有機ガラスが得られ、これを用いた音響整合部材は、使用環境の温度変化によって被接合部材が伸縮しても、シリカ乾燥ゲルがその伸縮に追随するので、自らの破損を防止する効果があり、超音波送受波器は広い温度範囲において安定して動作をすることができる。   In a thirteenth aspect of the invention, the organosilane compound includes a copolymer of at least one of the formula (5), the formula (6), and the compound represented by the formula (7). By using an ultrasonic transducer, an organic glass with both strength and flexibility can be obtained, and the acoustic matching member using this is silica-dried even if the member to be joined expands or contracts due to temperature changes in the usage environment. Since the gel follows the expansion and contraction, it has an effect of preventing its own breakage, and the ultrasonic transducer can operate stably in a wide temperature range.

第14の発明は、請求項1〜13のいずれかに記載の超音波送受波器を具備する超音波流量計であって、被測定流体が流れる流量計測部と、前記流量計測部に、前記被測定流体の流れの上流側と下流側とに、対向させて配置した一対の前記超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、前記伝搬時間に基づき、前記被測定流体の流量を算出する演算手段とを具備する超音波流量計とすることにより、高信頼性の流量計を実現するとすることができる。   A fourteenth aspect of the present invention is an ultrasonic flowmeter comprising the ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 13, wherein the flow rate measuring unit through which the fluid to be measured flows and the flow rate measuring unit include the A pair of the ultrasonic transducers arranged opposite to the upstream side and the downstream side of the flow of the fluid to be measured, an ultrasonic propagation time measuring circuit between the pair of ultrasonic transducers, and the propagation time Based on the above, it is possible to realize a highly reliable flow meter by using an ultrasonic flow meter including a calculation means for calculating the flow rate of the fluid to be measured.

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、本発明の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the form of this invention.

(実施の形態1)
図1は本発明第1の実施の形態における超音波送受波器の断面図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a sectional view of an ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention.

図1において、超音波送受波器1は、音響整合層2と、振動手段3と接合部材4とで構成されている。   In FIG. 1, an ultrasonic transducer 1 is composed of an acoustic matching layer 2, a vibrating means 3 and a joining member 4.

多孔質の音響整合層2と、対向する電極5、電極6を備えた振動手段3である圧電体とは、接合手段4によって接合された構造である。振動手段3である圧電体の電極5、および電極6はリード線7、およびリード線8に電気的に接合されており、電極とリード線は、例えば溶接あるいは導電ペーストで接続されている。   The porous acoustic matching layer 2 and the piezoelectric body that is the vibration means 3 including the opposing electrode 5 and electrode 6 have a structure joined by the joining means 4. The piezoelectric electrode 5 and the electrode 6 which are the vibration means 3 are electrically joined to the lead wire 7 and the lead wire 8, and the electrode and the lead wire are connected by, for example, welding or conductive paste.

音響整合層2は、複数の空間とそれを形成するための骨格を有する多孔質構造である。材質は、例えば、セラミック多孔体、多孔質有機ガラス、発砲ポリイミド、発砲ポリエチレンなど連続した空隙を有する材料であれば特に限定されるものではなく、より密度を小さくできるため低音響インピーダンスを実現することができる。接合部材4は例えば、主剤となるエポキシ樹脂に、粘度調整のために添加するシリカ、アルミナなどの微細粒子、硬化剤を添加した接着剤、あるいは常温でシート状のシート接着剤などの有機材料などが適用できる。また、銀ペーストなどのような無機導電性粒子を熱硬化性樹脂とともに混合した導電性ペースト、あるいは、銀ロウなどのロウ付け材料など接合部材として使用可能である。超音波送受波器1の製造方法は、まず、音響整合層2を1/4波長の厚さに調整し、音響整合層2あるいは振動手段3である圧電体の少なくとも一方の電極面に接合部材4を塗布形成し、振動手段3の一方の電極5と、音響整合層2とを張り合わせ、治具などによって加圧固定し、治具ごとオーブンに入れて、接合部材4を硬化して接合する。接合部材4は、加熱によって一時的に粘度が低下して音響整合層2に浸透し、さらに加熱されることによって硬化する材料を選択した。   The acoustic matching layer 2 is a porous structure having a plurality of spaces and a skeleton for forming the spaces. The material is not particularly limited as long as it is a material having continuous voids such as ceramic porous body, porous organic glass, foamed polyimide, and foamed polyethylene, and low acoustic impedance can be realized because the density can be further reduced. Can do. The bonding member 4 is, for example, an epoxy resin as a main agent, fine particles such as silica and alumina added for viscosity adjustment, an adhesive added with a curing agent, or an organic material such as a sheet adhesive at room temperature. Is applicable. Further, it can be used as a joining member such as a conductive paste obtained by mixing inorganic conductive particles such as silver paste together with a thermosetting resin, or a brazing material such as silver brazing. In the manufacturing method of the ultrasonic transducer 1, first, the acoustic matching layer 2 is adjusted to a thickness of ¼ wavelength, and a bonding member is attached to at least one electrode surface of the piezoelectric body that is the acoustic matching layer 2 or the vibration means 3. 4 is applied and formed, one electrode 5 of the vibration means 3 and the acoustic matching layer 2 are bonded to each other, pressure-fixed with a jig or the like, and put together with the jig in an oven, and the bonding member 4 is cured and bonded. . For the bonding member 4, a material that was temporarily reduced in viscosity by heating and penetrated into the acoustic matching layer 2 and further cured by being heated was selected.

以上のように構成された超音波送受波器1について以下その動作、作用を説明する。まず、リード線7、リード線8に外部より200〜600KHz程度の周波数のパルス電圧を加えることによって、振動手段3である圧電体が電極面に対して垂直方向に振動し、その振動に共振する厚み(1/4波長)に調整した音響整合層2が振動し、音響整合層2より、空気中あるいはガス中に振動が効率よく伝えられる。   The operation and action of the ultrasonic transducer 1 configured as described above will be described below. First, by applying a pulse voltage having a frequency of about 200 to 600 KHz to the lead wire 7 and the lead wire 8 from the outside, the piezoelectric body as the vibration means 3 vibrates in the direction perpendicular to the electrode surface and resonates with the vibration. The acoustic matching layer 2 adjusted to the thickness (1/4 wavelength) vibrates, and the vibration is efficiently transmitted from the acoustic matching layer 2 into the air or gas.

以上のように、本実施の形態においては、接合部材4が、疎水化した音響整合層2の空隙部に浸透することによって、振動手段3と音響整合層2とが確実に接続され、効率よく、伝わり、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器となる。   As described above, in the present embodiment, the bonding member 4 penetrates into the voids of the hydrophobized acoustic matching layer 2, so that the vibration means 3 and the acoustic matching layer 2 are reliably connected and efficiently. Therefore, it is an ultrasonic wave transmitter / receiver in which the characteristic variation is small and the characteristic deterioration is small even by the reliability test.

(実施の形態2)
図2は本発明第2の実施の形態における超音波送受波器10の断面図を示すものであり、図3は本発明第2の実施の形態における音響整合層10の断面拡大図を示すものである。
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the ultrasonic transducer 10 in the second embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows an enlarged cross-sectional view of the acoustic matching layer 10 in the second embodiment of the present invention. It is.

図2および図3において、超音波送受波器10は、音響整合層11と、振動手段12と接合部材14とで構成されている。   2 and 3, the ultrasonic transducer 10 includes an acoustic matching layer 11, a vibration unit 12, and a joining member 14.

多孔質の音響整合層11と、対向する電極15、電極16を備えた振動手段12である圧電体とは、接合手段14によって接合された構造である。振動手段12である圧電体の電極15、および電極16はリード線17、およびリード線18に電気的に接合されており、電極とリード線は、例えば溶接あるいは導電ペーストで接続されている。   The porous acoustic matching layer 11 and the piezoelectric body that is the vibration means 12 including the electrode 15 and the electrode 16 facing each other have a structure joined by the joining means 14. The piezoelectric electrode 15 and the electrode 16 which are the vibration means 12 are electrically joined to the lead wire 17 and the lead wire 18, and the electrode and the lead wire are connected by, for example, welding or conductive paste.

音響整合層11は、複数の空間とそれを形成するための骨格を有する一方の構造体19で形成される多孔体であり、その空隙に一方の構造体19よりも小さい空隙を有する他方の構造体20に形成した、複合多孔体である。材質は、例えば、一方の構造体19はセラミック材料が好ましく、連続した空隙を有する材料であれば特に限定されるものではなく発砲ポリイミド、発砲ポリエチレンなども適用できる。このような多孔体を使用することによって密度を小さくできるため低音響インピーダンスを実現することができる。他方の構造体20は、例えば多孔質の有機ガラスが用いられる。以下、一方の構造体19、および他方の構造体の製造方法を以下に示す。   The acoustic matching layer 11 is a porous body formed by one structure 19 having a plurality of spaces and a skeleton for forming the space, and the other structure having a void smaller than the one structure 19 in the void. This is a composite porous body formed on the body 20. For example, the material of the one structure 19 is preferably a ceramic material, and is not particularly limited as long as it is a material having continuous voids. Since the density can be reduced by using such a porous body, a low acoustic impedance can be realized. For example, porous organic glass is used for the other structure 20. Hereinafter, the manufacturing method of one structure 19 and the other structure is shown below.

一方の構造体19の製造方法は、次のように形成するのが好ましい。図4は本発明の実施の形態2における一方の構造体の製造工程を示すものである。   The manufacturing method of one structure 19 is preferably formed as follows. FIG. 4 shows a manufacturing process of one structure in the second embodiment of the present invention.

一方の構造体19は、少なくとも、酸化物系、非酸化物系のセラミックスや、粘土鉱物等で構成される。酸化物系セラミックスとしては、アルミナ系、ムライト系、ジルコニア系等を挙げることができ、非酸化物系セラミックスとしては、炭化ケイ素系、窒化ケイ素系、窒化系アルミニウム系、窒化ホウ素系、グラファイト等を挙げることができる。一方の構造体19は、難焼成セラミックスで構成されることが好ましく、より好ましくはチタン酸アルミニウム、コーデュライト、およびリシア・アルミナ・シリカ系化合物から選択される酸化物材料であるガラスセラミックで構成される。一方の構造体19がガラスセラミックスで構成されていると、熱膨張係数が小さいため、保持体の超音波送受信器の音響整合部材として使用した場合には、広い温度範囲において安定に音波を送受信できるという点で好ましい。   One structure 19 is composed of at least oxide-based or non-oxide-based ceramics, clay mineral, or the like. Examples of oxide ceramics include alumina, mullite, and zirconia. Non-oxide ceramics include silicon carbide, silicon nitride, nitrided aluminum, boron nitride, and graphite. Can be mentioned. One structure 19 is preferably composed of a hardly fired ceramic, more preferably composed of a glass ceramic that is an oxide material selected from aluminum titanate, cordurite, and a lithia-alumina-silica compound. The If one of the structures 19 is made of glass ceramics, the coefficient of thermal expansion is small, so that when used as an acoustic matching member of the ultrasonic transmitter / receiver of the holder, sound waves can be transmitted / received stably over a wide temperature range. This is preferable.

一方の構造体19の製造は、これらの難焼結性セラミックスを粉砕する工程と、セラミックの粉末に添加剤を加えスラリー化し、気泡を導入する工程と、スラリーを型に流し込み成型する工程と、焼成する工程よりなる。以下詳細に説明する。   The manufacturing of one structure 19 includes a step of pulverizing these hardly sinterable ceramics, a step of adding an additive to the ceramic powder to form a slurry, and introducing bubbles, a step of casting the slurry into a mold, It consists of the process of baking. This will be described in detail below.

(難焼結性セラミックス粉砕工程)
セラミックスの粉砕は、ボールミルやポットミル等で混合、粉砕等することにより得られる。セラミック粉の平均粒径は特に限定しないが、好ましくは、10μm以下である。この範囲の平均粒径のセラミックスを用いると、スラリー中での粉末分散性が向上される
とともに、焼結性も向上されるからである。
(Hard-sintering ceramic grinding process)
Ceramics can be pulverized by mixing, pulverizing, or the like using a ball mill or pot mill. The average particle size of the ceramic powder is not particularly limited, but is preferably 10 μm or less. This is because the use of ceramics having an average particle diameter in this range improves the powder dispersibility in the slurry and also improves the sinterability.

(セラミックの粉末のスラリー化工程)
セラミックススラリーにおいて、セラミックス粉末を懸濁する媒体は、水、有機溶媒、これらの混合溶媒等を使用することができる。好ましくは水を使用する。セラミックススラリー中に、セラミックス粉末を均一に含有させるためには、適当な分散剤を使用することが好ましい。分散剤として、ポリカルボン酸系分散剤(アニオン系分散剤)を使用でき、具体的には、ポリカルボン酸アンモニウムやポリカルボン酸ナトリウムを使用できる。好ましくは、分散剤の添加量に伴うスラリー粘度変化が大きい分散剤を使用する。分散剤の使用量は、好ましくは、セラミックス粉末の重量に対して5重量%以下であり、より好ましくは、1重量%以下である。
(Ceramic powder slurrying process)
In the ceramic slurry, water, an organic solvent, a mixed solvent thereof or the like can be used as a medium for suspending the ceramic powder. Preferably water is used. In order to uniformly contain the ceramic powder in the ceramic slurry, it is preferable to use an appropriate dispersant. As the dispersant, a polycarboxylic acid-based dispersant (anionic dispersant) can be used. Specifically, ammonium polycarboxylate or sodium polycarboxylate can be used. Preferably, a dispersant having a large change in slurry viscosity with the addition amount of the dispersant is used. The amount of the dispersant used is preferably 5% by weight or less, more preferably 1% by weight or less, based on the weight of the ceramic powder.

セラミックススラリーは、セラミックススラリー気泡導入前に脱泡し、スラリーを攪拌しながら気泡を導入する。セラミックススラリーに気泡を導入する際に、目的の形状に成型するため、ゲル化剤や、モノマーと重合開始剤とからなる重合性材料を加える。ゲル化剤を使用すると、温度制御やpH制御等によってスラリーをゲル化することになる。ゲル化剤としては、ゼラチン、アガロース、寒天、アルギン酸ナトリウム等を挙げることができる。   The ceramic slurry is defoamed before introducing the ceramic slurry bubbles, and the bubbles are introduced while stirring the slurry. When air bubbles are introduced into the ceramic slurry, a gelling agent or a polymerizable material composed of a monomer and a polymerization initiator is added in order to form a desired shape. When a gelling agent is used, the slurry is gelled by temperature control or pH control. Examples of the gelling agent include gelatin, agarose, agar, sodium alginate and the like.

重合性材料を用いる場合は、重合性材料のモノマーを用いる。具体的には、1または2以上のビニル基やアリル基等を備えたモノマーを挙げることができる。スラリーが水あるいは水性溶媒にて構成される場合には、1または2官能基性の重合性モノマーを用いることが好ましい。また、スラリーが、有機溶媒にて構成される場合には、2官能基性の重合性モノマーであることが好ましい。特に、スラリーにおいて水を溶媒として調製する場合には、好ましくは、少なくとも1種の1官能基性の(メタ)アクリル酸アミドと、少なくとも1種の2官能基性の(メタ)アクリル酸アミドとを組み合わせて使用する。また、スラリーを有機溶媒で調製する場合には、好ましくは、少なくとも2種の2官能基性の(メタ)アクリル酸を組み合わせて使用する。   When a polymerizable material is used, a monomer of the polymerizable material is used. Specific examples include monomers having one or more vinyl groups or allyl groups. When the slurry is composed of water or an aqueous solvent, it is preferable to use a monofunctional or bifunctional polymerizable monomer. Moreover, when a slurry is comprised with an organic solvent, it is preferable that it is a bifunctional polymerizable monomer. In particular, when preparing water as a solvent in the slurry, preferably, at least one monofunctional (meth) acrylic amide and at least one bifunctional (meth) acrylic amide Are used in combination. When the slurry is prepared with an organic solvent, preferably, at least two types of bifunctional (meth) acrylic acid are used in combination.

1官能基性モノマーや2官能基性モノマーを使用する場合には、好ましくは、過硫酸アンモニウムや過硫化カリウム等である。また、2以上の官能基を有する官能基性モノマーを使用する場合には、好ましくは、有機過酸化物や過酸化水素化合物や、アゾあるいはジアゾ化合物を使用する。具体的には、過酸化ベンゾイルである。   When a monofunctional monomer or a bifunctional monomer is used, ammonium persulfate, potassium persulfide, or the like is preferable. Moreover, when using the functional monomer which has a 2 or more functional group, Preferably, an organic peroxide, a hydrogen peroxide compound, an azo, or a diazo compound is used. Specifically, it is benzoyl peroxide.

導入したガスは、界面活性剤等によって気泡としてスラリー中に保持するようにするのが好ましい。界面活性剤は、当該気泡導入工程において、攪拌等による気泡の導入前にセラミックススラリーに添加することが好ましい。界面活性剤としてはアルキルベンゼンスルホン酸等の陰イオン性界面活剤や、高級アルキルアミノ酸等の陽イオン界面活性剤を例示できる。具体的には、n−ドデシルベンゼンスルホン酸、ポリオキシエチレンソルビタンモノラウリレート、ポリオキシエチレンモノオレート、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル及びこれらのナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩を挙げることができる。また、トリエタノールアミンラウリルエーテル等及びこれらのハロゲン化塩や、硫酸塩、酢酸塩、塩酸塩等を挙げることができる。また、ジエチルヘキシルコハク酸及びそのアルカリ金属塩等を挙げることができる。   The introduced gas is preferably held in the slurry as bubbles by a surfactant or the like. The surfactant is preferably added to the ceramic slurry before introducing the bubbles by stirring or the like in the bubble introducing step. Examples of the surfactant include an anionic surfactant such as an alkylbenzene sulfonic acid, and a cationic surfactant such as a higher alkyl amino acid. Specifically, n-dodecylbenzenesulfonic acid, polyoxyethylene sorbitan monolaurate, polyoxyethylene monooleate, polyoxyethylene nonylphenyl ether, polyoxyethylene lauryl ether, and alkali metal salts thereof such as sodium and potassium are used. Can be mentioned. Further, triethanolamine lauryl ether and the like and halogenated salts thereof, sulfate, acetate, hydrochloride and the like can be mentioned. Moreover, diethyl hexyl succinic acid and its alkali metal salt etc. can be mentioned.

(気泡導入工程)
以上のようにして作製したスラリーに気泡を導入する。この気泡導入工程において、ゲル化材料として重合性材料を用いる場合には、重合性材料とともに、重合開始剤、あるいは重合開始剤と重合触媒とを添加することが好ましい。重合触媒を添加すれば、ゲル化温度やその添加量によりゲル化工程の時間を調整することができる。通常、重合触媒を添加
すると、室温付近で速やかにゲル化(重合)が開始される。したがって、気泡導入方法や気泡導入量等を考慮して、重合触媒の使用や種類が選択される。重合触媒としては、例えば、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン等を挙げることができる。
(Bubble introduction process)
Bubbles are introduced into the slurry prepared as described above. In the bubble introduction step, when a polymerizable material is used as the gelling material, it is preferable to add a polymerization initiator or a polymerization initiator and a polymerization catalyst together with the polymerizable material. If a polymerization catalyst is added, the time of a gelation process can be adjusted with gelation temperature or its addition amount. Usually, when a polymerization catalyst is added, gelation (polymerization) starts rapidly around room temperature. Therefore, the use and type of the polymerization catalyst are selected in consideration of the bubble introduction method, the bubble introduction amount, and the like. Examples of the polymerization catalyst include N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine and the like.

(スラリー成型工程)
このようにして調製した含気泡セラミックススラリーを、成形型等に注入して、ゲル化させ、ゲル状多孔質成形体を形成する。含気泡セラミックススラリー円筒状の型に流し込み、重合反応あるいはゲル化反応を行って、固化させる。スラリーが固化すると、スラリー中に存在していた気泡も、ゲル状体中に保存される。この結果、固化体が多孔質となり、ゲル状多孔質成形体が得られる。これを脱型して、乾燥、脱脂、焼成する。乾燥は、ゲル状多孔質成形体中に含まれている水、溶媒を蒸発させるように行う。乾燥条件(温度、湿度、時間等)は、スラリー調製に用いた溶媒の種類とゲル状多孔質成形体の骨格部分を構成する成分(ゲル化剤あるいは重合体)によって適宜調整する。通常は、20℃以上であり、好ましくは、25℃以上80℃以下であり、より好ましくは、25℃以上40℃以下である。
(Slurry molding process)
The cell-containing ceramic slurry thus prepared is poured into a mold or the like to be gelled, thereby forming a gel-like porous molded body. The foamed ceramic slurry is poured into a cylindrical mold and solidified by polymerization reaction or gelation reaction. When the slurry is solidified, the air bubbles present in the slurry are also stored in the gel. As a result, the solidified body becomes porous, and a gel-like porous molded body is obtained. This is demolded, dried, degreased and fired. Drying is performed so as to evaporate water and solvent contained in the gel-like porous molded body. The drying conditions (temperature, humidity, time, etc.) are appropriately adjusted according to the type of solvent used for slurry preparation and the components (gelling agent or polymer) constituting the skeleton of the gel-like porous molded body. Usually, it is 20 ° C or higher, preferably 25 ° C or higher and 80 ° C or lower, more preferably 25 ° C or higher and 40 ° C or lower.

(焼成工程)
つぎに、乾燥体から有機分を除去するために、さらに高温で加熱する。脱脂のための温度と時間は、使用した有機分の量および種類によって調整する。例えば、ゲル化のための材料としてメタクリルアミドとN,N−メチレンビスアクリルアミドを用いたスラリーから調製したゲル状多孔質成形体の場合、700℃で2日間脱脂する。
(Baking process)
Next, in order to remove organic components from the dried product, heating is performed at a higher temperature. The temperature and time for degreasing are adjusted according to the amount and type of organic component used. For example, in the case of a gel-like porous molded body prepared from a slurry using methacrylamide and N, N-methylenebisacrylamide as a material for gelation, degreasing is performed at 700 ° C. for 2 days.

脱脂後には、焼成工程を実施する。焼成のための条件は、使用したセラミックス材料の種類等を考慮して設定される。このような工程により、本発明の一方の構造体19を得ることができる。   After degreasing, a firing process is performed. The conditions for firing are set in consideration of the type of ceramic material used. By such a process, one structure 19 of the present invention can be obtained.

他方の構造体20の製造方法は、次のように形成するのが好ましい。図5は本発明の実施の形態2における他方の構造体の製造工程を示すものである。   The manufacturing method of the other structure 20 is preferably formed as follows. FIG. 5 shows a manufacturing process of the other structure according to the second embodiment of the present invention.

他方の構造体20は、有機ガラスで形成されており、ゾルゲル法によって形成する。
音響整合層11に含まれる有機ガラスの材質は特に限定されない。有機ガラスの製造方法に関して詳細に説明する。図5は本発明第2の実施の形態における他の構造体の製造工程を示している。図に示しように4つの工程によって形成される。以下詳細に説明する。
The other structure 20 is formed of organic glass and is formed by a sol-gel method.
The material of the organic glass contained in the acoustic matching layer 11 is not particularly limited. The method for producing organic glass will be described in detail. FIG. 5 shows a manufacturing process of another structure according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, it is formed by four steps. This will be described in detail below.

(工程1:第1ゲル化工程)
本実施形態では、まず、いわゆるゾルゲル法により第1湿潤ゲルを形成する。その際、第1ゲル原料に第1触媒(ゲル化触媒)を加えてゲル化を進行させる。
(Step 1: First gelation step)
In this embodiment, first, a first wet gel is formed by a so-called sol-gel method. In that case, a 1st catalyst (gelation catalyst) is added to a 1st gel raw material, and gelatinization is advanced.

本実施形態の製造方法で用いられるゲル原料としては、ゾルゲル法に用いられる一般的な原料が用いられる。例えば、ケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、チタン等の酸化物微粒子や対応するアルコキシド等がある。この中でも金属としてケイ素を含有する化合物が、入手の容易性から好ましい。また、金属アルコキシドの場合、既に述べたように、反応制御の容易性の観点からもケイ素が好ましい。例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン等のテトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシラン、ジアルコキシシラン等のケイ素アルコキシドが用いられる。   As the gel material used in the manufacturing method of the present embodiment, a general material used in the sol-gel method is used. For example, there are oxide fine particles such as silicon, aluminum, zirconium and titanium, and corresponding alkoxides. Among these, a compound containing silicon as a metal is preferable from the viewpoint of availability. In the case of the metal alkoxide, as already described, silicon is preferable from the viewpoint of easy reaction control. For example, tetraalkoxysilanes such as tetramethoxysilane and tetraethoxysilane, and silicon alkoxides such as trialkoxysilane and dialkoxysilane are used.

(実施例)
本発明を実現するための加水分解性有機基と非加水分解性有機基が同一の珪素に直接結合したケイ素化合物は以下のようなものが例示できる。
(Example)
Examples of the silicon compound in which the hydrolyzable organic group and the non-hydrolyzable organic group are directly bonded to the same silicon for realizing the present invention are as follows.

式(1)または式(2)で表される化合物の加水分解重合物からなり、分子量200以上であるオルガノシロキサン。ケイ素化合物が式(3)で表される直鎖状ポリシロキサンジオール。   Organosiloxane comprising a hydrolyzed polymer of a compound represented by formula (1) or formula (2) and having a molecular weight of 200 or more. A linear polysiloxane diol in which the silicon compound is represented by the formula (3).

としては、特に限定はされないが、例えば、炭素数1〜4のアルキル基を主原料とするものが用いられる。 The R 1, is not particularly limited, for example, is used which the alkyl group of 1 to 4 carbon atoms as a main raw material.

としては、特に限定はされないが、例えば、炭素数1〜8の置換または非置換の1価の炭化水素基が挙げられる。具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等のアルキル基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基;2−フェニルエチル基、3−フェニルプロピル基等のアラルキル基;フェニル基、トリル基等のアリール基;ビニル基、アリル基のようなアルケニル基;クロロメチル基、γ−クロロプロピル基、3,3,3−トリフルオロプロピル基のようなハロゲン置換炭化水素基;γ−メタクリロキシプロピル基、γ−グリシドキシプロピル基、3,4−エポキシシクロヘキシルエチル基、γ−メルカプトプロピル基等の置換炭化水素基等を例示することができる。これらの中でも、合成の容易さ、入手の容易さ、硬度が過度に低下しすぎないという点から、炭素数1〜4のアルキル基およびフェニル基が好ましい。 The R 2, is not particularly limited, and examples thereof include monovalent hydrocarbon groups of the substituted or unsubstituted 1-8 carbon atoms. Specifically, alkyl groups such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group and octyl group; cycloalkyl groups such as cyclopentyl group and cyclohexyl group; 2-phenylethyl group, Aralkyl groups such as 3-phenylpropyl group; aryl groups such as phenyl group and tolyl group; alkenyl groups such as vinyl group and allyl group; chloromethyl group, γ-chloropropyl group, 3,3,3-trifluoropropyl A halogen-substituted hydrocarbon group such as a group; substituted hydrocarbon groups such as γ-methacryloxypropyl group, γ-glycidoxypropyl group, 3,4-epoxycyclohexylethyl group, γ-mercaptopropyl group, etc. Can do. Among these, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms and a phenyl group are preferable from the viewpoint that synthesis is easy, availability, and hardness does not decrease excessively.

従って、式(1)のオルガノトリアルコキシシランとしては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、3,3,3−トリフルオロプロピルトリメトキシシランなどが例示できる。   Accordingly, the organotrialkoxysilane of formula (1) includes methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltriisopropoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, 3,3,3-trifluoropropyltrimethyl. A methoxysilane etc. can be illustrated.

また、式(2)のジオルガノジアルコキシシランとしては、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、メチルフェニルジメトキシシランなどが例示できる。   Examples of the diorganodialkoxysilane of formula (2) include dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, diphenyldiethoxysilane, and methylphenyldimethoxysilane.

これらのケイ素化合物は式(4、5、6)で表される化合物を含んでいてもよい。   These silicon compounds may contain a compound represented by the formula (4, 5, 6).

式(4)中のRは置換、もしくは非置換の炭素数1〜9の炭化水素基である。 R 4 in the formula (4) is a substituted or unsubstituted hydrocarbon group having 1 to 9 carbon atoms.

式(5)中のRはエポキシ基、グリシジル基およびこれらのうちの少なくとも一方を含む炭化水素基(例えば、γ−グリシドキシプロピル基等)からなる群の中から選ばれる少なくとも1種の基であるものの内の少なくとも1種である。 R 5 in the formula (5) is at least one selected from the group consisting of an epoxy group, a glycidyl group, and a hydrocarbon group containing at least one of them (for example, γ-glycidoxypropyl group, etc.). At least one of the groups.

式(6)中のRはアルコキシシリル基および/またはハロゲン化シリル基を含む炭化水素基、例えば、トリメトキシシリルプロピル基、ジメトキシメチルシリルプロピル基、モノメトキシジメチルシリルプロピル基、トリエトキシシリルプロピル基、ジエトキシメチルシリルプロピル基、エトキシジメチルシリルプロピル基、トリクロロシリルプロピル基、ジクロロメチルシリルプロピル基、クロロジメチルシリルプロピル基、クロロジメトキシシリルプロピル基、ジクロロメトキシシリルプロピル基等であるものの内の少なくとも1種である。 R 6 in formula (6) is a hydrocarbon group containing an alkoxysilyl group and / or a halogenated silyl group, such as a trimethoxysilylpropyl group, a dimethoxymethylsilylpropyl group, a monomethoxydimethylsilylpropyl group, a triethoxysilylpropyl group. Group, diethoxymethylsilylpropyl group, ethoxydimethylsilylpropyl group, trichlorosilylpropyl group, dichloromethylsilylpropyl group, chlorodimethylsilylpropyl group, chlorodimethoxysilylpropyl group, dichloromethoxysilylpropyl group, etc. One type.

また、本発明に関わるケイ素化合物は式(7)で表されるケイ素化合物を含有してもよい。式(7)で表されるテトラアルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランなどが例示できる。   Moreover, the silicon compound according to the present invention may contain a silicon compound represented by the formula (7). Examples of the tetraalkoxysilane represented by the formula (7) include tetramethoxysilane and tetraethoxysilane.

(効果)
式(1)から式(6)で表される化合物または重合物或いは共重合物はいずれも乾燥ゲ
ルを柔軟化させ、割れや剥がれを生じさせにくくする成分である。式(1,2)で表される化合物を分子量200以上となるように重合してもちいることで、得られるゲルに対する柔軟化の効果が大きくなる。例えば、式(1,2)で表される化合物を用いた場合においても、分子量が小さいモノマー等を用いた場合には、乾燥ゲルを柔軟化することが出来ず、十分な効果は得られない。式(3)で表される化合物も柔軟化の効果が大きく、特に式(7)で示されるテトラアルコキシシランと同時に用いる場合には、これと共重合(架橋)し易いために、反応速度の制御が容易である。式(4,5,6)で表される化合物もゲルの柔軟化に大きな効果がある。式(4)で表されるような比較的単純な化学式で表されるものでもよいが、特に式(5)で表される化合物を用いると、被接合層との密着性が向上し、また、式(6)で表される化合物を用いると、式(7)で示されるテトラアルコキシシランと同時に用いる場合において、これと共重合(架橋)し易いために、より大きな柔軟化の効果が得られる。
(effect)
Any of the compounds or polymers or copolymers represented by the formulas (1) to (6) is a component that softens the dried gel and makes it difficult to cause cracking or peeling. By polymerizing the compound represented by the formula (1,2) so as to have a molecular weight of 200 or more, the effect of softening the gel obtained is increased. For example, even when a compound represented by the formula (1,2) is used, if a monomer having a low molecular weight is used, the dried gel cannot be softened and a sufficient effect cannot be obtained. . The compound represented by the formula (3) also has a great softening effect, and particularly when used simultaneously with the tetraalkoxysilane represented by the formula (7), it is easy to copolymerize (crosslink) with this, so that the reaction rate is low. Easy to control. The compounds represented by the formulas (4, 5, 6) also have a great effect on softening the gel. Although it may be represented by a relatively simple chemical formula as represented by the formula (4), in particular, when a compound represented by the formula (5) is used, the adhesion to the bonded layer is improved, and When the compound represented by the formula (6) is used, when used together with the tetraalkoxysilane represented by the formula (7), it is easy to copolymerize (crosslink) with this, so that a greater softening effect can be obtained. It is done.

(濃度)
式(1)から式(6)で表される化合物または重合物或いは共重合物の乾燥ゲル中に含まれる濃度は特に規定はされないが、0.01%乃至100であることが好ましい。この成分の濃度が低すぎると乾燥ゲルの割れ、剥がれが防げなくなる。逆に高すぎると強度が低下して湿潤ゲルの乾燥の際に収縮を生じる。これらの理由から、この化合物の濃度は0.1乃至10%であることがさらに好ましい。
(concentration)
The concentration contained in the dry gel of the compound or polymer or copolymer represented by the formulas (1) to (6) is not particularly specified, but is preferably 0.01% to 100. If the concentration of this component is too low, cracking and peeling of the dried gel cannot be prevented. On the other hand, if it is too high, the strength decreases and shrinkage occurs when the wet gel is dried. For these reasons, the concentration of this compound is more preferably 0.1 to 10%.

ゲル化触媒としては、一般的な有機酸、無機酸、有機塩基、無機塩基が用いられる。有機酸として、酢酸、クエン酸など、無機酸として、硫酸、塩酸、硝酸など、有機塩基として、ピペリジンなど、無機塩基として、アンモニアなどがある。また、ピペリジン等のイミン系のものを用いれば細孔径が大きくなる効果があるため毛管力低減の観点からより好ましい。 溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等の低級アルコール、エチレングリコール、ジエチレングリコールのモノあるいはジエーテル、アセトン等の低級ケトン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン等の低級エーテルのような水溶性有機溶媒が用いられる。また、第1ゲル原料の加水分解、縮重合でゲルが形成される場合には、加水分解に必要な水も添加される(工程2:再構築工程)。   As the gelation catalyst, a general organic acid, inorganic acid, organic base, or inorganic base is used. Examples of organic acids include acetic acid and citric acid, inorganic acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, and nitric acid, organic bases such as piperidine, and inorganic bases such as ammonia. In addition, use of an imine type such as piperidine is more preferable from the viewpoint of reducing capillary force because of the effect of increasing the pore diameter. Solvents include lower alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol and diethylene glycol, mono- or diethers of ethylene glycol and diethylene glycol, lower ketones such as acetone, lower ethers such as tetrahydrofuran and 1,3-dioxolane. A water-soluble organic solvent is used. Moreover, when a gel is formed by hydrolysis and condensation polymerization of the first gel raw material, water necessary for hydrolysis is also added (step 2: restructuring step).

第1ゲル化工程に引き続き、再構築工程が実施される。   Subsequent to the first gelation step, a reconstruction step is performed.

尚、第1ゲル化工程時に、湿潤ゲルが形成された場合は、第1湿潤ゲルが再構築原料溶液に触れるように、配置し再構築処理を行う。   In addition, when a wet gel is formed at the time of a 1st gelatinization process, it arrange | positions so that a 1st wet gel may touch a reconstruction raw material solution, and a reconstruction process is performed.

再構築工程では、第1ゲル化工程で形成された第1湿潤ゲルの固体骨格の一部を分解しながら、新たな固体骨格(第2固体骨格)を形成する。具体的には、まず再構築工程のための再構築原料と、再構築触媒および水と、必要に応じて溶媒を添加混合することによって再構築原料溶液を調製し、これに第1ゲル化工程で得られた第1湿潤ゲルを浸漬させる。   In the reconstruction process, a new solid skeleton (second solid skeleton) is formed while decomposing a part of the solid skeleton of the first wet gel formed in the first gelation process. Specifically, first, a restructuring raw material solution is prepared by adding and mixing a restructuring raw material for the restructuring step, a restructuring catalyst and water, and, if necessary, a solvent. The first wet gel obtained in (1) is immersed.

上記の再構築触媒の添加は重合を進め、新たな固体骨格の成長を加速する。また、水および再構築触媒の添加は、加水分解により第1湿潤ゲルの固体骨格を構成する微粒子の分解(溶解)を進め、第1湿潤ゲルの微細な細孔構造を崩すように作用する。さらに、この加水分解は上記の再構築触媒によっても加速される。このように、古い固体骨格(第1固体骨格)を崩す速度と、新たな固体骨格(第2固体骨格)を形成する速度が共に非常に大きいために、大幅な細孔構造の変化を伴う固体骨格の再構築が可能になると考えられる。   Addition of the restructuring catalyst promotes polymerization and accelerates the growth of a new solid skeleton. Moreover, the addition of water and a restructuring catalyst acts to break down the fine pore structure of the first wet gel by advancing decomposition (dissolution) of the fine particles constituting the solid skeleton of the first wet gel by hydrolysis. Furthermore, this hydrolysis is also accelerated by the restructuring catalyst described above. As described above, since the speed of breaking the old solid skeleton (first solid skeleton) and the speed of forming the new solid skeleton (second solid skeleton) are both very high, the solid with a significant change in pore structure. The skeleton can be reconstructed.

再構築工程で用いられる再構築触媒としては、第1ゲル化工程で用いられるゲル化触媒
群の中のものを使用することができるが、特に、第1ゲル化工程時のゲル化触媒と同一のものである必要はない。
As the reconstruction catalyst used in the reconstruction process, those in the group of gelation catalysts used in the first gelation process can be used, and in particular, the same as the gelation catalyst in the first gelation process. Need not be.

また、再構築工程で用いられる再構築ゲル原料としては、第1ゲル化工程で用いられるゲル原料が用いられ、第1ゲル原料と再構築ゲル原料との関係は、特に制限を受けない。例えば、第1ゲル化工程で、ゲル原料としてアルコキシシランであるテトラエトキシシランが用いられた場合には、再構築工程では、再構築ゲル原料としてテトラエトキシシランを用いることができる他、ゲル原料が溶解する溶媒を選べば、他の金属アルコキシドや、ケイ酸水溶液等も用いることも可能である。   Further, as the reconstructed gel raw material used in the restructuring step, the gel raw material used in the first gelation step is used, and the relationship between the first gel raw material and the reconstructed gel raw material is not particularly limited. For example, when tetraethoxysilane, which is an alkoxysilane, is used as the gel material in the first gelation step, tetraethoxysilane can be used as the reconstructed gel material in the reconstruction step, If a solvent to be dissolved is selected, other metal alkoxides and aqueous silicic acid solutions can also be used.

この工程で用いられる溶媒は、上で述べたように再構築ゲル原料、再構築触媒が溶解すれば特に制限を受けない。   The solvent used in this step is not particularly limited as long as the reconstructed gel raw material and the reconstructed catalyst are dissolved as described above.

(実施例)
本発明を実現するための加水分解性有機基と非加水分解性有機基が同一の珪素に直接結合したケイ素化合物は以下のようなものが例示できる。
(Example)
Examples of the silicon compound in which the hydrolyzable organic group and the non-hydrolyzable organic group are directly bonded to the same silicon for realizing the present invention are as follows.

式(1)または式(2)で表される化合物の加水分解重合物からなり、分子量200以上であるオルガノシロキサン。ケイ素化合物が式(3)で表される直鎖状ポリシロキサンジオール。   Organosiloxane comprising a hydrolyzed polymer of a compound represented by formula (1) or formula (2) and having a molecular weight of 200 or more. A linear polysiloxane diol in which the silicon compound is represented by the formula (3).

としては、特に限定はされないが、例えば、炭素数1〜4のアルキル基を主原料とするものが用いられる。 The R 1, is not particularly limited, for example, is used which the alkyl group of 1 to 4 carbon atoms as a main raw material.

としては、特に限定はされないが、例えば、炭素数1〜8の置換または非置換の1価の炭化水素基が挙げられる。具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等のアルキル基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基;2−フェニルエチル基、3−フェニルプロピル基等のアラルキル基;フェニル基、トリル基等のアリール基;ビニル基、アリル基のようなアルケニル基;クロロメチル基、γ−クロロプロピル基、3,3,3−トリフルオロプロピル基のようなハロゲン置換炭化水素基;γ−メタクリロキシプロピル基、γ−グリシドキシプロピル基、3,4−エポキシシクロヘキシルエチル基、γ−メルカプトプロピル基等の置換炭化水素基等を例示することができる。これらの中でも、合成の容易さ、入手の容易さ、硬度が過度に低下しすぎないという点から、炭素数1〜4のアルキル基およびフェニル基が好ましい。 The R 2, is not particularly limited, and examples thereof include monovalent hydrocarbon groups of the substituted or unsubstituted 1-8 carbon atoms. Specifically, alkyl groups such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group and octyl group; cycloalkyl groups such as cyclopentyl group and cyclohexyl group; 2-phenylethyl group, Aralkyl groups such as 3-phenylpropyl group; aryl groups such as phenyl group and tolyl group; alkenyl groups such as vinyl group and allyl group; chloromethyl group, γ-chloropropyl group, 3,3,3-trifluoropropyl A halogen-substituted hydrocarbon group such as a group; substituted hydrocarbon groups such as γ-methacryloxypropyl group, γ-glycidoxypropyl group, 3,4-epoxycyclohexylethyl group, γ-mercaptopropyl group, etc. Can do. Among these, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms and a phenyl group are preferable from the viewpoint that synthesis is easy, availability, and hardness does not decrease excessively.

従って、式(1)のオルガノトリアルコキシシランとしては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、3,3,3−トリフルオロプロピルトリメトキシシランなどが例示できる。   Accordingly, the organotrialkoxysilane of formula (1) includes methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltriisopropoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, 3,3,3-trifluoropropyltrimethyl. A methoxysilane etc. can be illustrated.

また、式(2)のジオルガノジアルコキシシランとしては、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、メチルフェニルジメトキシシランなどが例示できる。   Examples of the diorganodialkoxysilane of formula (2) include dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, diphenyldiethoxysilane, and methylphenyldimethoxysilane.

これらのケイ素化合物は式(4、5、6)で表される化合物を含んでいてもよい。   These silicon compounds may contain a compound represented by the formula (4, 5, 6).

式(4)中のRは置換、もしくは非置換の炭素数1〜9の炭化水素基である。 R 4 in the formula (4) is a substituted or unsubstituted hydrocarbon group having 1 to 9 carbon atoms.

式(5)中のRはエポキシ基、グリシジル基およびこれらのうちの少なくとも一方を
含む炭化水素基(例えば、γ−グリシドキシプロピル基等)からなる群の中から選ばれる少なくとも1種の基であるものの内の少なくとも1種である。
R 5 in the formula (5) is at least one selected from the group consisting of an epoxy group, a glycidyl group, and a hydrocarbon group containing at least one of them (for example, γ-glycidoxypropyl group, etc.). At least one of the groups.

式(6)中のRはアルコキシシリル基および/またはハロゲン化シリル基を含む炭化水素基、例えば、トリメトキシシリルプロピル基、ジメトキシメチルシリルプロピル基、モノメトキシジメチルシリルプロピル基、トリエトキシシリルプロピル基、ジエトキシメチルシリルプロピル基、エトキシジメチルシリルプロピル基、トリクロロシリルプロピル基、ジクロロメチルシリルプロピル基、クロロジメチルシリルプロピル基、クロロジメトキシシリルプロピル基、ジクロロメトキシシリルプロピル基等であるものの内の少なくとも1種である。 R 6 in formula (6) is a hydrocarbon group containing an alkoxysilyl group and / or a halogenated silyl group, such as a trimethoxysilylpropyl group, a dimethoxymethylsilylpropyl group, a monomethoxydimethylsilylpropyl group, a triethoxysilylpropyl group. Group, diethoxymethylsilylpropyl group, ethoxydimethylsilylpropyl group, trichlorosilylpropyl group, dichloromethylsilylpropyl group, chlorodimethylsilylpropyl group, chlorodimethoxysilylpropyl group, dichloromethoxysilylpropyl group, etc. One type.

また、本発明に関わるケイ素化合物は式(7)で表されるケイ素化合物を含有してもよい。式(7)で表されるテトラアルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランなどが例示できる。   Moreover, the silicon compound according to the present invention may contain a silicon compound represented by the formula (7). Examples of the tetraalkoxysilane represented by the formula (7) include tetramethoxysilane and tetraethoxysilane.

(効果)
式(1)から式(6)で表される化合物または重合物或いは共重合物はいずれも乾燥ゲルを柔軟化させ、割れや剥がれを生じさせにくくする成分である。式(1,2)で表される化合物を分子量200以上となるように重合してもちいることで、得られるゲルに対する柔軟化の効果が大きくなる。例えば、式(1,2)で表される化合物を用いた場合においても、分子量が小さいモノマー等を用いた場合には、乾燥ゲルを柔軟化することが出来ず、十分な効果は得られない。式(3)で表される化合物も柔軟化の効果が大きく、特に式(7)で示されるテトラアルコキシシランと同時に用いる場合には、これと共重合(架橋)し易いために、反応速度の制御が容易である。式(4,5,6)で表される化合物もゲルの柔軟化に大きな効果がある。式(4)で表されるような比較的単純な化学式で表されるものでもよいが、特に式(5)で表される化合物を用いると、被接合層との密着性が向上し、また、式(6)で表される化合物を用いると、式(7)で示されるテトラアルコキシシランと同時に用いる場合において、これと共重合(架橋)し易いために、より大きな柔軟化の効果が得られる。
(effect)
Any of the compounds or polymers or copolymers represented by the formulas (1) to (6) is a component that softens the dried gel and makes it difficult to cause cracking or peeling. By polymerizing the compound represented by the formula (1,2) so as to have a molecular weight of 200 or more, the effect of softening the gel obtained is increased. For example, even when a compound represented by the formula (1,2) is used, if a monomer having a low molecular weight is used, the dried gel cannot be softened and a sufficient effect cannot be obtained. . The compound represented by the formula (3) also has a great softening effect, and particularly when used simultaneously with the tetraalkoxysilane represented by the formula (7), it is easy to copolymerize (crosslink) with this, so that the reaction rate is low. Easy to control. The compounds represented by the formulas (4, 5, 6) also have a great effect on softening the gel. Although it may be represented by a relatively simple chemical formula as represented by the formula (4), in particular, when a compound represented by the formula (5) is used, the adhesion to the bonded layer is improved, and When the compound represented by the formula (6) is used, when used together with the tetraalkoxysilane represented by the formula (7), it is easy to copolymerize (crosslink) with this, so that a greater softening effect can be obtained. It is done.

(濃度)
式(1)から式(6)で表される化合物または重合物或いは共重合物の乾燥ゲル中に含まれる濃度は特に規定はされないが、0.01%乃至100であることが好ましい。この成分の濃度が低すぎると乾燥ゲルの割れ、剥がれが防げなくなる。逆に高すぎると強度が低下して湿潤ゲルの乾燥の際に収縮を生じる。これらの理由から、この化合物の濃度は0.1乃至10%であることがさらに好ましい。
(concentration)
The concentration contained in the dry gel of the compound or polymer or copolymer represented by the formulas (1) to (6) is not particularly specified, but is preferably 0.01% to 100. If the concentration of this component is too low, cracking and peeling of the dried gel cannot be prevented. On the other hand, if it is too high, the strength decreases and shrinkage occurs when the wet gel is dried. For these reasons, the concentration of this compound is more preferably 0.1 to 10%.

(工程3:疎水化工程)
再構築工程に続き、疎水化工程を実施する。この工程では、再構築工程までに得られた湿潤ゲルの表面に、溶媒中に溶解した疎水化剤を反応させることで、疎水基を導入する。疎水化剤は、後述するクロロシラン等の場合は、水と反応して湿潤ゲル表面との反応性が低下するため、疎水化の前に、水溶性の溶媒により洗浄することで、あるいは水と共沸する溶媒を用いて留去することで水を除くことが好ましい。
(Process 3: Hydrophobization process)
Following the reconstruction process, a hydrophobization process is performed. In this step, a hydrophobic group is introduced by reacting a hydrophobizing agent dissolved in a solvent with the surface of the wet gel obtained up to the restructuring step. In the case of chlorosilane or the like, which will be described later, the hydrophobizing agent reacts with water and decreases the reactivity with the wet gel surface. Therefore, the hydrophobizing agent can be washed with a water-soluble solvent before hydrophobization or with water. It is preferable to remove water by distilling off using a boiling solvent.

本発明に用いられる疎水化剤としては、反応性が高い点からシリル化剤が好ましく、例えばシラザン化合物、クロロシラン化合物、アルキルシラノール化合物およびアルキルアルコキシシラン化合物等がある。   The hydrophobizing agent used in the present invention is preferably a silylating agent from the viewpoint of high reactivity, and examples thereof include silazane compounds, chlorosilane compounds, alkylsilanol compounds and alkylalkoxysilane compounds.

これらのシリル化剤は、シラザン化合物、クロロシラン化合物、アルキルアルコキシシラン化合物の場合は、直接あるいは加水分解を受けて、対応するアルキルシラノールにな
ってからゲル表面のシラノール基と反応する。また、アルキルシラノールをシリル化剤として用いれば、そのまま表面のシラノール基と反応する。
In the case of a silazane compound, a chlorosilane compound, or an alkylalkoxysilane compound, these silylating agents react with silanol groups on the gel surface after being directly or hydrolyzed to the corresponding alkylsilanol. Further, when alkylsilanol is used as a silylating agent, it reacts with the silanol group on the surface as it is.

これらの中でも、疎水化時の反応性が高いことと入手の容易性から、クロロシラン化合物、シラザン化合物が特に好ましく、入手の容易性及び疎水化時に塩化水素、アンモニア等のガスを発生しないことからはアルキルアルコキシシランが特に好適に用いられる。   Among these, chlorosilane compounds and silazane compounds are particularly preferred because of their high reactivity during hydrophobization and availability, and because they are easily available and do not generate gases such as hydrogen chloride and ammonia during hydrophobization. Alkyl alkoxysilanes are particularly preferably used.

具体的には、トリメチルクロロシラン、メチルトリクロロシランおよびジメチルジクロロシランなどのクロロシラン化合物、ヘキサメチルジシラザンなどのシラザン化合物、メトキシトリメチルシラン、エトキシトリメチルシラン、ジメトキシジメチルシラン、ジメトキシジエチルシランおよびジエトキシジメチルシランなどのアルキルアルコキシシラン化合物、トリメチルシラノールおよびトリエチルシラノールなどのシラノール化合物に代表されるシリル化剤がある。これらを用いれば、湿潤ゲル表面にトリメチルシリル基などのアルキルシリル基を導入することで疎水化を進行させることができる。   Specifically, chlorosilane compounds such as trimethylchlorosilane, methyltrichlorosilane and dimethyldichlorosilane, silazane compounds such as hexamethyldisilazane, methoxytrimethylsilane, ethoxytrimethylsilane, dimethoxydimethylsilane, dimethoxydiethylsilane and diethoxydimethylsilane There are silylating agents represented by silanol compounds such as alkylalkoxysilane compounds, trimethylsilanol and triethylsilanol. If these are used, hydrophobization can be promoted by introducing an alkylsilyl group such as a trimethylsilyl group into the wet gel surface.

また、疎水化剤として、フッ素化されたシリル化剤を用いれば、疎水性が強くなり非常に効果的である。   Further, if a fluorinated silylating agent is used as the hydrophobizing agent, the hydrophobicity becomes strong and is very effective.

また、疎水化剤としては、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、エチレングリコールおよびグリセロールなどのアルコール類の他、蟻酸、酢酸、プロピオン酸およびコハク酸などのカルボン酸なども用いることができる。これらは、ゲル表面の水酸基と反応してエーテルまたはエステルを形成することで疎水化を進めるが、反応が比較的遅いため高温の条件が必要である(工程4:乾燥工程)。   In addition, as hydrophobizing agents, alcohols such as ethanol, propanol, butanol, hexanol, heptanol, octanol, ethylene glycol and glycerol, carboxylic acids such as formic acid, acetic acid, propionic acid and succinic acid can also be used. . These are hydrophobized by reacting with the hydroxyl groups on the gel surface to form ethers or esters, but the reaction is relatively slow and requires high-temperature conditions (step 4: drying step).

疎水化工程に続き、乾燥工程を実施する。この工程では、疎水化工程までに得られた湿潤ゲルから溶媒を除くことにより、乾燥ゲルを得る。   Following the hydrophobization step, a drying step is performed. In this step, a dry gel is obtained by removing the solvent from the wet gel obtained up to the hydrophobization step.

湿潤ゲルから溶媒を除く乾燥方法としては、(1)加熱乾燥法(2)超臨界乾燥法(3)凍結乾燥法の3つの方法がある。加熱乾燥法は、最も一般的で簡便な乾燥法であり、溶媒を含む湿潤ゲルを加熱することで、液体状態の溶媒を気化させて除去するものであり、この乾燥によることがコストの観点から最も好ましい。なお、ここでいう「加熱乾燥」は、上記の加熱の程度が極端に低い場合として、加熱を行わずに放置して乾燥する自然乾燥も含むものとする。乾燥時に、ゲルの密度が低い場合にはゲル中の溶媒の表面張力に比例する毛管力のために、ゲルが一時的に収縮し割れを生じることがある。このため、乾燥時の溶媒は沸点での表面張力が小さい炭化水素系の溶媒が好ましく、特に安価なヘキサン、ペンタンあるいはその混合物が好ましい。一方、安全性の観点からは、イソプロパノール、エタノール、ブタノール等のアルコール類、さらに水あるいは水と有機溶媒との混合溶媒からの乾燥が好ましい。本実施の形態では湿潤ゲルが、一方の構造体19によって全体的に保持されているため、アルコール類、水をはじめとする多くの溶媒からの乾燥によっても割れ、収縮が抑制される。   There are three drying methods for removing the solvent from the wet gel: (1) heat drying method (2) supercritical drying method (3) freeze drying method. The heating and drying method is the most common and simple drying method, in which the wet gel containing the solvent is heated to vaporize and remove the solvent in the liquid state. Most preferred. In addition, "heat drying" here includes natural drying in which the above-described degree of heating is extremely low and left to dry without heating. When drying, if the gel density is low, the gel may temporarily shrink and crack due to capillary forces proportional to the surface tension of the solvent in the gel. For this reason, the solvent for drying is preferably a hydrocarbon-based solvent having a low surface tension at the boiling point, and particularly inexpensive hexane, pentane or a mixture thereof is preferable. On the other hand, from the viewpoint of safety, drying from alcohols such as isopropanol, ethanol, butanol, and water or a mixed solvent of water and an organic solvent is preferable. In this embodiment, since the wet gel is entirely held by one structure 19, cracking and shrinkage are suppressed by drying from many solvents such as alcohols and water.

超臨界乾燥法では、溶媒は超臨界状態から液体状態を経ずに取り除かれるため、気液界面の形成により始めて生じる毛管力の発生がない。乾燥に用いられる超臨界流体として、水、アルコール、二酸化炭素等の超臨界状態があるが、最も低温で超臨界状態が得られ、しかも無害である二酸化炭素が好適に用いられる。   In the supercritical drying method, since the solvent is removed from the supercritical state without passing through the liquid state, there is no generation of capillary force that occurs only when the gas-liquid interface is formed. As the supercritical fluid used for drying, there are supercritical states such as water, alcohol, carbon dioxide, etc., but carbon dioxide that can be obtained at the lowest temperature and is harmless is preferably used.

具体的には、まず耐圧容器中に液化二酸化炭素を導入することで、耐圧容器中の湿潤ゲル中の溶媒を液化二酸化炭素に置換する。次に、圧力と温度を臨界点以上に上げることで超臨界状態とし、温度を保ったまま徐々に二酸化炭素を放出して乾燥を完了させる。   Specifically, by first introducing liquefied carbon dioxide into the pressure vessel, the solvent in the wet gel in the pressure vessel is replaced with liquefied carbon dioxide. Next, the pressure and temperature are raised to a critical point or higher to achieve a supercritical state, and carbon dioxide is gradually released while maintaining the temperature to complete drying.

凍結乾燥法は、湿潤ゲル中の溶媒を凍結させた後に、昇華により溶媒を除く乾燥方法である。液体状態を経ず、ゲル中に気液界面を生じず毛管力が働かないために乾燥時のゲルの収縮を抑制することができる。   The lyophilization method is a drying method in which after the solvent in the wet gel is frozen, the solvent is removed by sublimation. Since it does not go through a liquid state, a gas-liquid interface does not occur in the gel, and capillary force does not work, so that shrinkage of the gel during drying can be suppressed.

凍結乾燥法に用いられる溶媒は、凝固点での蒸気圧が高いものが好ましく、第3ブタノール、グリセリン、シクロヘキサン、シクロヘキサノール、パラ−キシレン、ベンゼン、フェノールなどが挙げられる。これらのなかでも、融点における蒸気圧が高いという点から、特に第3ブタノール、シクロヘキサンが好ましい。   The solvent used in the freeze-drying method is preferably a solvent having a high vapor pressure at the freezing point, and examples thereof include tertiary butanol, glycerin, cyclohexane, cyclohexanol, para-xylene, benzene, and phenol. Among these, tertiary butanol and cyclohexane are particularly preferable because of high vapor pressure at the melting point.

凍結乾燥時には、湿潤ゲル中の溶媒を、上記の凝固点での蒸気圧が高い溶媒に置換しておくことが効果的である。また、ゲル化時に用いる溶媒を、凝固点での蒸気圧が高い溶媒にしておけば、溶媒置換を省略して効率的な製造が可能となるためより好ましい。   At the time of lyophilization, it is effective to replace the solvent in the wet gel with a solvent having a high vapor pressure at the above-mentioned freezing point. In addition, it is more preferable to use a solvent having a high vapor pressure at the freezing point as the solvent used for the gelation because the solvent replacement can be omitted and efficient production becomes possible.

乾燥は、疎水化工程の後に行ってもよいし、疎水化工程の前に行ってもよい。乾燥工程を経た後で疎水化する場合は、乾燥ゲルを溶液中ではなく、疎水化剤の蒸気にさらすことで乾燥ゲル表面に疎水基を導入する。従って、使用する溶媒量が減少するという効果を奏する。   Drying may be performed after the hydrophobizing step or may be performed before the hydrophobizing step. In the case of hydrophobizing after the drying step, hydrophobic groups are introduced on the surface of the dried gel by exposing the dried gel to the vapor of the hydrophobizing agent, not in the solution. Therefore, there is an effect that the amount of solvent to be used is reduced.

この時使用する、疎水化剤としては、上述の疎水化剤を用いることができるが、反応性の高さからトリメチルクロロシラン、ジメチルジクロロシラン等のクロロシラン化合物が最も好ましい。また、クロロシラン化合物以外の疎水化剤を用いる場合は、アンモニアや塩化水素等の気体状態で導入可能な触媒を用いることも有効である。   As the hydrophobizing agent used at this time, the above-mentioned hydrophobizing agents can be used, but chlorosilane compounds such as trimethylchlorosilane and dimethyldichlorosilane are most preferable because of their high reactivity. When using a hydrophobizing agent other than the chlorosilane compound, it is also effective to use a catalyst that can be introduced in a gaseous state, such as ammonia or hydrogen chloride.

また、気相で疎水化を行う場合は、溶媒や疎水化剤の沸点に制限を受けずに疎水化時の温度を高めることができる。従って、気相での疎水化は、反応を早めるために有効である。また、湿潤ゲルが薄膜や粉体であれば、疎水化剤蒸気の浸入が容易であり、薄膜の場合は溶媒量削減の効果も大きいためより好ましい。   Further, when hydrophobizing in the gas phase, the temperature during hydrophobizing can be increased without being limited by the boiling point of the solvent or hydrophobizing agent. Therefore, hydrophobization in the gas phase is effective for speeding up the reaction. Moreover, if the wet gel is a thin film or powder, the penetration of the hydrophobizing agent vapor is easy, and the thin film is more preferable because the effect of reducing the amount of solvent is great.

また、再構築工程と疎水化工程とを同時に行うことも可能である。この場合二つの工程を同時に進めるために、短時間で乾燥ゲルからなる多孔体が得られるという効果が得られる。   Moreover, it is also possible to perform a reconstruction process and a hydrophobization process simultaneously. In this case, since the two steps are simultaneously performed, an effect that a porous body made of a dry gel can be obtained in a short time is obtained.

再構築工程兼疎水化工程は、具体的には、第1ゲル化工程で得られた湿潤ゲルを、再構築工程で用いる再構築ゲル原料溶液と疎水化剤とを混合した処理液に浸漬することで実施する。こうすることで、ゲルの再構築と疎水化が同時に進行する。再構築原料、疎水化時の疎水化剤は、上述のものと同じものを用いることが可能である。例えば、水ガラスから電気透析により得られるケイ酸水溶液から第1ゲル化を行った後、得られた湿潤ゲルを、水溶性溶媒を用いること等により、ゲル原料であるアルコキシシランと、疎水化剤であるシラザン化合物等とを溶解させた溶液中で、再構築と疎水化とが同時に行われる。   Specifically, in the restructuring step and the hydrophobizing step, the wet gel obtained in the first gelation step is immersed in a treatment liquid in which the restructuring gel raw material solution used in the restructuring step and the hydrophobizing agent are mixed. It will be implemented. By doing so, gel reconstruction and hydrophobization proceed simultaneously. As the restructuring material and the hydrophobizing agent at the time of hydrophobization, the same ones as described above can be used. For example, after the first gelation is performed from an aqueous silicic acid solution obtained by electrodialysis from water glass, the obtained wet gel is converted into a gel raw material alkoxysilane and a hydrophobizing agent by using a water-soluble solvent. In a solution in which a silazane compound or the like is dissolved, restructuring and hydrophobization are performed simultaneously.

接合部材14は例えば、主剤となるエポキシ樹脂に、粘度調整のために添加するシリカ、アルミナなどの微細粒子、硬化剤を添加した接着剤、あるいは常温でシート状のシート接着剤などの有機材料などが適用できる。また、銀ペーストなどのような無機導電性粒子を熱硬化性樹脂とともに混合した導電性ペースト、あるいは、銀ロウなどのロウ付け材料など接合部材14として使用可能である。超音波送受波器10の製造方法は、まず、音響整合層11を1/4波長の厚さに調整し、音響整合層11あるいは振動手段12である圧電体の少なくとも一方の電極面に接合部材を塗布形成し、振動手段12の一方の電極15と、音響整合層11とを張り合わせ、治具などによって加圧固定し、治具ごとオーブンに入れて、接合部材14を硬化して接合する。接合部材14は、加熱によって一時的に粘度
が低下して音響整合層2に浸透し、さらに加熱されることによって硬化する材料を選択した。
The joining member 14 is, for example, an adhesive obtained by adding fine particles such as silica and alumina added for viscosity adjustment to the epoxy resin as the main agent, a curing agent, or an organic material such as a sheet-like sheet adhesive at room temperature. Is applicable. Further, it can be used as the bonding member 14 such as a conductive paste obtained by mixing inorganic conductive particles such as silver paste together with a thermosetting resin, or a brazing material such as silver brazing. In the manufacturing method of the ultrasonic transducer 10, first, the acoustic matching layer 11 is adjusted to a thickness of ¼ wavelength, and a bonding member is attached to at least one electrode surface of the piezoelectric body that is the acoustic matching layer 11 or the vibration means 12. The electrode 15 of the vibration means 12 and the acoustic matching layer 11 are bonded together, pressure-fixed with a jig or the like, and put together with the jig in an oven, and the bonding member 14 is cured and bonded. For the bonding member 14, a material that was temporarily reduced in viscosity by heating and penetrated the acoustic matching layer 2 and further cured by heating was selected.

以上のように構成された超音波送受波器10について以下その動作、作用を説明する。まず、リード線17、リード線18に外部より200〜600KHz程度の周波数のパルス電圧を加えることによって、振動手段3である圧電体が電極面に対して垂直方向に振動し、その振動に共振する厚み(1/4波長)に調整した音響整合層2が振動し、音響整合層2より、空気中あるいはガス中に振動が効率よく伝えられる。   The operation and action of the ultrasonic transducer 10 configured as described above will be described below. First, by applying a pulse voltage having a frequency of about 200 to 600 KHz to the lead wire 17 and the lead wire 18 from the outside, the piezoelectric body as the vibration means 3 vibrates in the direction perpendicular to the electrode surface and resonates with the vibration. The acoustic matching layer 2 adjusted to the thickness (1/4 wavelength) vibrates, and the vibration is efficiently transmitted from the acoustic matching layer 2 into the air or gas.

以上のように、本実施の形態においては、接合部材14が、疎水化した音響整合層11の空隙部に浸透することによって、振動手段12と音響整合層11とが確実に接続され、効率よく、伝わり、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器となる。   As described above, in the present embodiment, the bonding member 14 penetrates into the voids of the acoustic matching layer 11 that has been hydrophobized, so that the vibration means 12 and the acoustic matching layer 11 are reliably connected, and the efficiency is improved. Therefore, it is an ultrasonic wave transmitter / receiver in which the characteristic variation is small and the characteristic deterioration is small even by the reliability test.

以上のようにして形成した、超音波送受波器によって、低音響インピーダンスの音響整合層となり高感度ならびに特性の安定化を図ることができ、使用環境の温度変化を想定した信頼性試験によって音響整合層が変形しても、音響整合層が相対的に柔軟な乾燥ゲルであるため、破壊せず、広い温度範囲において安定に動作することができるため、長期にわたって使用することができ、取り扱いが容易な超音波送受波器1を提供することが可能となった。   The ultrasonic transducer formed as described above becomes an acoustic matching layer with low acoustic impedance, which can achieve high sensitivity and stabilization of characteristics, and acoustic matching through reliability tests assuming temperature changes in the usage environment. Even if the layer is deformed, the acoustic matching layer is a relatively soft dry gel, so it does not break and can operate stably over a wide temperature range, so it can be used for a long time and is easy to handle It was possible to provide a simple ultrasonic transducer 1.

(実施の形態3)
図10は、本発明第3の実施の形態における超音波送受波器35の断面図を示しており、図11は超音波送受波器35の製造方法を示す工程断面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 10 shows a cross-sectional view of an ultrasonic transducer 35 in the third embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a process cross-sectional view showing a method for manufacturing the ultrasonic transducer 35.

以下超音波送受波器35の製造工程に関して説明する。工程(a)は音響整合層37を形成する工程であり、実施の形態2と同様のため省略する。工程(b)は、振動手段36である圧電体であり、焼き付け銀形成した電極38表面と、密閉容器42である有天筒状金属ケースの天部外壁面とに接合部材40である接着剤を印刷する工程である。印刷は、スクリーン印刷、グラビア印刷、転写など接着剤を所定の厚さに印刷できれば限定されるものではない。前記有天筒状ケースは金属ケースであり、鉄、真鍮、銅、アルミ、あるいは、これらの合金、あるいはこれらの金属の表面にめっきを施した金属など何でも良い。   Hereinafter, the manufacturing process of the ultrasonic transducer 35 will be described. Step (a) is a step of forming the acoustic matching layer 37 and is omitted because it is similar to the second embodiment. Step (b) is a piezoelectric body that is the vibration means 36, and is an adhesive that is a bonding member 40 between the surface of the electrode 38 on which the baked silver is formed and the outer wall surface of the ceiling-shaped cylindrical metal case that is the sealed container 42. Is a step of printing. Printing is not limited as long as the adhesive can be printed to a predetermined thickness such as screen printing, gravure printing, and transfer. The celestial cylindrical case is a metal case, and may be anything such as iron, brass, copper, aluminum, alloys thereof, or metals obtained by plating the surfaces of these metals.

接合部材40である接着剤を印刷した振動手段3である圧電体を、密閉容器42である有天筒状金属ケース天部内壁面に、天部外壁面に音響整合層37を振動手段3である圧電体と対向するように貼り付ける。このような状態で、加圧しながら、接着剤を硬化する。接着剤は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアノアクリレート樹脂など特に限定されない。   The piezoelectric body, which is the vibration means 3 printed with the adhesive, which is the bonding member 40, is the vibration means 3, and the acoustic matching layer 37 is the vibration wall 3 on the inner wall surface of the ceiling-shaped cylindrical metal case, which is the sealed container 42. Affixed so as to face the piezoelectric body. In such a state, the adhesive is cured while applying pressure. The adhesive is not particularly limited, such as an epoxy resin, a phenol resin, or a cyanoacrylate resin.

工程(c)は、有天筒状金属ケースの開口部に導電手段44を挿入した端子板45を溶接によって接合する。端子板45は電極端子46と電極端子47とを備え、端子板絶縁部48によって電気的に絶縁されている。導電手段44は、シリコンゴム、ブタジエンゴム、エラストマーなどの弾性体と、導電体とで構成され、電極39と電極端子47とを電気的に接続し、電極38と密閉容器42である有天筒状ケースと電極端子46とは電気的に接続されている。   In the step (c), the terminal plate 45 in which the conductive means 44 is inserted is joined to the opening of the dome-shaped cylindrical metal case by welding. The terminal plate 45 includes an electrode terminal 46 and an electrode terminal 47, and is electrically insulated by a terminal plate insulating portion 48. The conductive means 44 is composed of an elastic body such as silicon rubber, butadiene rubber, or elastomer, and a conductive body. The conductive means 44 electrically connects the electrode 39 and the electrode terminal 47, and is a ceiling tube that is the electrode 38 and the sealed container 42. The case and the electrode terminal 46 are electrically connected.

密閉容器42である有天筒状金属ケースと端子板45との溶接時に、密閉容器42である有天筒状金属ケースと端子板45とで形成した密閉空間43内部に不活性ガスを注入し超音波送受信器35を製造した。不活性ガスは、ヘリウムガスおよび窒素ガスなど銀電極と反応しない気体であれば限定されるものではない。溶接時に有天筒状ケース内に不活性
ガスを挿入することによって銀電極を備えた振動手段36である圧電体は外部環境から隔離され、長期にわたって電気的接続は安定化し、長期信頼性が確保される。
An inert gas is injected into the sealed space 43 formed by the tented cylindrical metal case, which is the sealed container 42, and the terminal plate 45 when welding the tented cylindrical metal case, which is the sealed container 42, and the terminal plate 45. An ultrasonic transceiver 35 was manufactured. The inert gas is not limited as long as it is a gas that does not react with the silver electrode, such as helium gas and nitrogen gas. Piezoelectric body, which is the vibration means 36 provided with silver electrodes, is isolated from the external environment by inserting an inert gas into the celestial cylindrical case at the time of welding, and the electrical connection is stabilized over a long period of time, ensuring long-term reliability. Is done.

以上のように構成した超音波送受波器は、低音響インピーダンスの音響整合層となり高感度ならびに特性の安定化を図ることができ、使用環境の温度変化を想定した信頼性試験によって音響整合層が変形しても、音響整合層が相対的に柔軟な乾燥ゲルであるため、破壊せず、広い温度範囲において安定に動作することができるため、長期にわたって使用することができ、取り扱いが容易な超音波送受波器35を提供することが可能となった。   The ultrasonic transducer configured as described above becomes an acoustic matching layer with a low acoustic impedance, can achieve high sensitivity and stabilization of characteristics, and the acoustic matching layer can be obtained through reliability tests assuming temperature changes in the usage environment. Even if it is deformed, the acoustic matching layer is a relatively soft dry gel, so it does not break and can operate stably in a wide temperature range, so it can be used for a long time and is super easy to handle. It has become possible to provide a sonic transducer 35.

(実施の形態4)
図12は、本発明第4の実施の形態における超音波流速・流量計の断面図を示すものである。
(Embodiment 4)
FIG. 12 shows a cross-sectional view of an ultrasonic flow velocity / flow meter according to the fourth embodiment of the present invention.

図12において、流路49で構成される流体の流れる流量計測部50に超音波送受波器51、超音波送受波器52が一対斜めに配置された構成となっている。L1は、上流側に配置された超音波送受波器51から伝播する超音波の伝達経路を示しており、L2は下流側に配置された超音波送受波器52の超音波の伝達経路を示している。   In FIG. 12, an ultrasonic transducer 51 and an ultrasonic transducer 52 are arranged diagonally in a flow rate measurement unit 50 in which a fluid flows, which is configured by a flow path 49. L1 shows the transmission path of the ultrasonic wave propagating from the ultrasonic transducer 51 arranged on the upstream side, and L2 shows the ultrasonic transmission path of the ultrasonic transducer 52 arranged on the downstream side. ing.

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(図示せず)、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。超音波送受波器51を超音波送波器、超音波送受波器52を超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器51から出た超音波パルスが超音波送受波器52に到達する伝搬時間t1は、
t1=L/(C+Vcosθ) (1)
で示される。
Let V be the flow velocity of the fluid flowing in the tube, C (not shown) the velocity of the ultrasonic wave in the fluid, and θ be the angle between the direction of flow of the fluid and the propagation direction of the ultrasonic pulse. When the ultrasonic transmitter / receiver 51 is used as an ultrasonic transmitter / receiver and the ultrasonic transmitter / receiver 52 is used as an ultrasonic receiver, an ultrasonic pulse emitted from the ultrasonic transmitter / receiver 51 is converted into the ultrasonic transmitter / receiver 52. The propagation time t1 to reach
t1 = L / (C + V cos θ) (1)
Indicated by

次に超音波送受波器52から出た超音波パルスが超音波送受波器51に到達する伝搬時間t2は、
t2=L/(C−Vcosθ) (2)
で示される。
そして、(1)と(2)の式から流体の音速Cを消去すると、
V=(L/2cosθ)・((1/t1)−(1/t2)) (3)
の式が得られる。
Next, the propagation time t2 at which the ultrasonic pulse from the ultrasonic transducer 52 reaches the ultrasonic transducer 51 is:
t2 = L / (C−Vcos θ) (2)
Indicated by
And if the sound velocity C of the fluid is eliminated from the equations (1) and (2),
V = (L / 2 cos θ) · ((1 / t1) − (1 / t2)) (3)
The following equation is obtained.

Lとθが既知なら、計測回路53にてt1とt2を測定すれば流速Vが求められる。必要に応じて、この流速Vに流量計測部50の断面積Sと補正係数Kを乗じれば、流量Qを求めることができる。演算手段53は、上記Q=KSVを演算するものである。   If L and θ are known, the flow velocity V can be obtained by measuring t1 and t2 in the measurement circuit 53. If necessary, the flow rate Q can be obtained by multiplying the flow velocity V by the cross-sectional area S of the flow rate measuring unit 50 and the correction coefficient K. The calculating means 53 calculates Q = KSV.

本発明の超音波送受波器を用いることにより、超音波送受波器の特性の安定化を図ることができ、使用環境の温度変化においても安定に動作することができるため、信頼性の高い超音波流速・流量計を実現することができる。   By using the ultrasonic transducer of the present invention, it is possible to stabilize the characteristics of the ultrasonic transducer and to operate stably even in the temperature change of the usage environment. A sonic flow velocity / flow meter can be realized.

本発明の実施の形態1における超音波送受波器の断面図Sectional drawing of the ultrasonic transducer in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態2における超音波送受波器10の断面図Sectional drawing of the ultrasonic transducer 10 in Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態2における音響整合層の断面拡大図Sectional enlarged view of the acoustic matching layer in Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態2における一方の構造体の製造工程図Manufacturing process diagram of one structure in Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態2における他方の構造体の製造工程図Manufacturing process diagram of the other structure according to Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態2におけるオルガノシラン化合物の分子配置概念図Molecular arrangement conceptual diagram of organosilane compound in Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態2におけるオルガノシラン化合物の分子配置概念図Molecular arrangement conceptual diagram of organosilane compound in Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態2におけるシリカ乾燥ゲル製造工程のオルガノシラン化合物概念図Conceptual diagram of organosilane compound in silica dry gel production process in Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態2におけるシリカ乾燥ゲル製造工程のオルガノシラン化合物概念図Conceptual diagram of organosilane compound in silica dry gel production process in Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態3における超音波送受波器の断面図Sectional drawing of the ultrasonic transducer in Embodiment 3 of this invention 本発明の実施の形態3における超音波送受波器の製造工程断面図Cross-sectional view of the manufacturing process of the ultrasonic transducer according to the third embodiment of the present invention 本発明の実施の形態4における流速・流量計の断面図Sectional drawing of the flow velocity and flowmeter in Embodiment 4 of this invention 従来の超音波送受波器の断面図Cross-sectional view of a conventional ultrasonic transducer

符号の説明Explanation of symbols

1 超音波送受波器
2 音響整合層
3 振動手段
4 接合部材
19 一方の構造体
20 他方の構造体
37 音響整合層
35 超音波送受波器
46 振動手段
42 密閉容器
50 流量計測部
51、52 超音波送受波器
53 計測回路
54 演算手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic transducer 2 Acoustic matching layer 3 Vibrating means 4 Joining member 19 One structure 20 The other structure 37 Acoustic matching layer 35 Ultrasonic transducer 46 Vibrating means 42 Sealed container 50 Flow rate measurement part 51, 52 Sonic transducer 53 Measuring circuit 54 Calculation means

Claims (14)

疎水化した多孔質の音響整合層に接合部材を浸透させ振動手段と音響整合層とを接合してなる超音波送受波器。 An ultrasonic transducer in which a bonding member is infiltrated into a hydrophobic porous acoustic matching layer and a vibrating means and an acoustic matching layer are bonded. 一方の構造体で形成される多孔体において、その多孔体の空隙の一部または全部に他方の構造体を形成し、他方の構造体は、一方の構造体よりも小さい空隙を有する多孔体とし、一方の構造体および他方の構造体は疎水化した音響整合層に接合部材を浸透させ振動手段と音響整合層とを接合してなる超音波送受波器。 In the porous body formed of one structure, the other structure is formed in part or all of the voids of the porous body, and the other structure is a porous body having a void smaller than that of the one structure. One structure and the other structure are ultrasonic transducers in which a bonding member is infiltrated into a hydrophobized acoustic matching layer and the vibration means and the acoustic matching layer are bonded. 振動手段が密閉容器の内面に配置されてなり、音響整合層が密閉容器を介して圧電振動子と対向した外面に配置されている請求項1または2に記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 1 or 2, wherein the vibration means is disposed on the inner surface of the sealed container, and the acoustic matching layer is disposed on the outer surface facing the piezoelectric vibrator through the sealed container. 接合部材は加熱によって一時的に粘度が低下し、硬化する部材よりなる請求項1または2に記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the joining member is a member that is temporarily reduced in viscosity by heating and hardens. 接合部材は他方の構造体の空隙よりも小さい粒子を含む部材よりなる請求項2に記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the joining member is made of a member containing particles smaller than the voids of the other structure. 一方の構造体はセラミックよりなる請求項2に記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein one of the structures is made of ceramic. 他方の構造体は有機ガラスよりなる請求項2に記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the other structure is made of organic glass. セラミックは、難焼成セラミック粉末を有するセラミックスラリーに気泡を導入する工程と、前記セラミックスラリーをゲル化する工程と、前記ゲル化したセラミックスラリーを乾燥する工程と、前記ゲル化したセラミックスラリーを脱脂する工程と、前記ゲル化したセラミックスラリーを焼成する工程とで形成した請求項6に記載の超音波送受波器。 The ceramic introduces bubbles into the ceramic slurry having the hardly fired ceramic powder, the step of gelling the ceramic slurry, the step of drying the gelled ceramic slurry, and the degreasing of the gelled ceramic slurry. The ultrasonic transducer according to claim 6, formed by a step and a step of firing the gelled ceramic slurry. 有機ガラスは、式(1)で表される化合物または式(1)で表される化合物の部分加水分解重合物を、重合させると共に乾燥してなるゲルを含有する請求項7に記載の超音波送受波器。
式(1) Si(OR
8. The ultrasonic wave according to claim 7, wherein the organic glass contains a gel obtained by polymerizing and drying a compound represented by the formula (1) or a partially hydrolyzed polymer of the compound represented by the formula (1). Transmitter / receiver.
Formula (1) Si (OR 1 ) 4
有機ガラスは、式(1)で表される化合物または式(1)で表される化合物の部分加水分解重合物を、重合させてなる湿潤ゲルの存在下、加水分解性有機基と、非加水分解性有機基とが同一のケイ素に直接結合したオルガノシラン化合物を重合させると共に乾燥してなる請求項7に記載の送受波器。 The organic glass is composed of a hydrolyzable organic group and a non-hydrolyzed group in the presence of a wet gel obtained by polymerizing a compound represented by the formula (1) or a partially hydrolyzed polymer of the compound represented by the formula (1). The transducer according to claim 7, wherein an organosilane compound in which a decomposable organic group is directly bonded to the same silicon is polymerized and dried. オルガノシラン化合物は、式(2)、(3)で表される加水分解性有機基と、非加水分解性有機基とが同一のケイ素に直接結合したオルガノシラン化合物を重合させると共に乾燥してなる請求項10に記載の超音波送受波器。
式(2) RSi(OR
式(3) (RSi(OR
The organosilane compound is obtained by polymerizing and drying an organosilane compound in which a hydrolyzable organic group represented by the formulas (2) and (3) and a non-hydrolyzable organic group are directly bonded to the same silicon. The ultrasonic transducer according to claim 10.
Formula (2) R 2 Si (OR 1 ) 3
Formula (3) (R 2 ) 2 Si (OR 1 ) 2
オルガノシラン化合物は、式(4)で表される直鎖状ポリシロキサンジオールである請求項10に記載の超音波送受波器。
式(4) HO((RSiO)
The ultrasonic transducer according to claim 10, wherein the organosilane compound is a linear polysiloxane diol represented by the formula (4).
Formula (4) HO ((R 2 ) 2 SiO) n H
オルガノシラン化合物は、式(5)と、式(6)との少なくとも一方と、式(7)で表される化合物との共重合体を含んだ請求項10に記載の超音波送受波器。
式(5) CH=CR(COOR
ここで、Rは水素原子及び/またはメチル基を示す。
は置換もしくは非置換の炭素数1〜9の1価炭化水素基である。
式(6) CH=CR(COOR
ここで、Rはエポキシ基、グリシジル基及びこれらのうち少なくとも一方を含む炭化水素基からなる群の中から選ばれる少なくとも1種の基である。
式(7) CH=CR(COOR
ここで、Rはアルコキシシリル基及び/またはハロゲン化シリル基を含む炭化水素基である。
The ultrasonic transducer according to claim 10, wherein the organosilane compound includes a copolymer of at least one of formula (5) and formula (6) and a compound represented by formula (7).
Equation (5) CH 2 = CR 3 (COOR 4)
Here, R 3 represents a hydrogen atom and / or a methyl group.
R 4 is a substituted or unsubstituted monovalent hydrocarbon group having 1 to 9 carbon atoms.
Equation (6) CH 2 = CR 3 (COOR 5)
Here, R 5 is at least one group selected from the group consisting of an epoxy group, a glycidyl group, and a hydrocarbon group containing at least one of them.
Equation (7) CH 2 = CR 3 (COOR 6)
Here, R 6 is a hydrocarbon group containing an alkoxysilyl group and / or a halogenated silyl group.
請求項1〜13のいずれか1項に記載の超音波送受波器を具備する超音波流量計であって、被測定流体が流れる流量計測部と、前記流量計測部に、前記被測定流体の流れの上流側と下流側とに、対向させて配置した一対の前記超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、前記伝搬時間に基づき前記被測定流体の流量を算出する演算手段とを具備する超音波流量計。 An ultrasonic flowmeter comprising the ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 13, wherein a flow rate measurement unit through which a fluid to be measured flows and the flow rate measurement unit include the flow rate measurement unit. A pair of the ultrasonic transducers disposed opposite to the upstream side and the downstream side of the flow, an ultrasonic propagation time measuring circuit between the pair of ultrasonic transducers, and the target based on the propagation time An ultrasonic flowmeter comprising a calculation means for calculating a flow rate of a measurement fluid.
JP2006354266A 2006-12-28 2006-12-28 Ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter Expired - Fee Related JP4888112B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006354266A JP4888112B2 (en) 2006-12-28 2006-12-28 Ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006354266A JP4888112B2 (en) 2006-12-28 2006-12-28 Ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008167147A true JP2008167147A (en) 2008-07-17
JP4888112B2 JP4888112B2 (en) 2012-02-29

Family

ID=39695983

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006354266A Expired - Fee Related JP4888112B2 (en) 2006-12-28 2006-12-28 Ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4888112B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010205679A (en) * 2009-03-05 2010-09-16 Toyota Motor Corp Coating equipment
JP2011029084A (en) * 2009-07-28 2011-02-10 Toyota Motor Corp Inspection device
WO2012144226A1 (en) * 2011-04-21 2012-10-26 パナソニック株式会社 Ultrasound probe and production method therefor
EP3471438A4 (en) * 2016-06-09 2019-07-17 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Laminate, ultrasonic transducer, and ultrasonic flowmeter

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60256040A (en) * 1984-06-01 1985-12-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Preparation of ultrasonic probe
JP2002262394A (en) * 2001-02-28 2002-09-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ultrasonic wave transmitter-receiver, manufacturing method for the ultrasonic wave transmitter-receiver and ultrasonic wave flow meter
JP3552054B2 (en) * 2002-01-28 2004-08-11 松下電器産業株式会社 Acoustic matching layer and ultrasonic transducer
WO2005020631A1 (en) * 2003-08-22 2005-03-03 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Sound matching body, process for producing the same, ultrasonic sensor and ultrasonic wave transmitting/receiving system
JP3633926B2 (en) * 2002-01-28 2005-03-30 松下電器産業株式会社 Ultrasonic transceiver and ultrasonic flowmeter
JP2005159811A (en) * 2003-11-27 2005-06-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ultrasonic vibrator and its manufacturing method
JP2005260409A (en) * 2004-03-10 2005-09-22 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ultrasonic oscillator, its fabrication process, and ultrasonic fluid measuring apparatus
JP2005260808A (en) * 2004-03-15 2005-09-22 Matsushita Electric Ind Co Ltd Acoustic matching layer and fluid flow measuring instrument
JP2006033801A (en) * 2004-06-15 2006-02-02 Toshiba Corp Acoustic backing composition, ultrasonic probe, and ultrasonic diagnostic apparatus
JP2006270499A (en) * 2005-03-24 2006-10-05 Matsushita Electric Ind Co Ltd Porous body, acoustic matching layer employing same, and ultrasonic transceiver provided with acoustic matching layer

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60256040A (en) * 1984-06-01 1985-12-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Preparation of ultrasonic probe
JP2002262394A (en) * 2001-02-28 2002-09-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ultrasonic wave transmitter-receiver, manufacturing method for the ultrasonic wave transmitter-receiver and ultrasonic wave flow meter
JP3552054B2 (en) * 2002-01-28 2004-08-11 松下電器産業株式会社 Acoustic matching layer and ultrasonic transducer
JP3633926B2 (en) * 2002-01-28 2005-03-30 松下電器産業株式会社 Ultrasonic transceiver and ultrasonic flowmeter
WO2005020631A1 (en) * 2003-08-22 2005-03-03 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Sound matching body, process for producing the same, ultrasonic sensor and ultrasonic wave transmitting/receiving system
JP2005159811A (en) * 2003-11-27 2005-06-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ultrasonic vibrator and its manufacturing method
JP2005260409A (en) * 2004-03-10 2005-09-22 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ultrasonic oscillator, its fabrication process, and ultrasonic fluid measuring apparatus
JP2005260808A (en) * 2004-03-15 2005-09-22 Matsushita Electric Ind Co Ltd Acoustic matching layer and fluid flow measuring instrument
JP2006033801A (en) * 2004-06-15 2006-02-02 Toshiba Corp Acoustic backing composition, ultrasonic probe, and ultrasonic diagnostic apparatus
JP2006270499A (en) * 2005-03-24 2006-10-05 Matsushita Electric Ind Co Ltd Porous body, acoustic matching layer employing same, and ultrasonic transceiver provided with acoustic matching layer

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010205679A (en) * 2009-03-05 2010-09-16 Toyota Motor Corp Coating equipment
JP2011029084A (en) * 2009-07-28 2011-02-10 Toyota Motor Corp Inspection device
WO2012144226A1 (en) * 2011-04-21 2012-10-26 パナソニック株式会社 Ultrasound probe and production method therefor
EP3471438A4 (en) * 2016-06-09 2019-07-17 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Laminate, ultrasonic transducer, and ultrasonic flowmeter
US11162829B2 (en) 2016-06-09 2021-11-02 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Multilayer body that includes piezoelectric body

Also Published As

Publication number Publication date
JP4888112B2 (en) 2012-02-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4873966B2 (en) Ultrasonic transducer
CN1293371C (en) Ultrasonic sensor, method for mfg. same and ultrasonic flowmeter
CN1249405C (en) Acoustic matching layer, ultrasonic transmitter-receiver and ultrasonic flowmeter
JP4888112B2 (en) Ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter
JP4702349B2 (en) Ultrasonic transducer and ultrasonic flow measuring device using it
JP4983260B2 (en) Ultrasonic transducer
JP6697631B2 (en) Resin material for acoustic lens, acoustic lens, acoustic wave probe, acoustic wave measuring device, ultrasonic diagnostic device, photoacoustic wave measuring device and ultrasonic endoscope
JP2008261732A (en) Ultrasonic transmitting/receiving device and ultrasonic current flow meter
JP2008288658A (en) Acoustic matching member and ultrasonic transceiver using the same, and ultrasonic velocity flowmeter
JP4983282B2 (en) Acoustic matching member
CN111052768B (en) Composition for acoustic probe, silicone resin, probe for acoustic probe, measurement and diagnosis device, and ultrasonic endoscope
WO2005020631A1 (en) Sound matching body, process for producing the same, ultrasonic sensor and ultrasonic wave transmitting/receiving system
JP2008193290A (en) Acoustic matching member, ultrasonic transmitter receiver, and ultrasonic flowmeter
JP2006270499A (en) Porous body, acoustic matching layer employing same, and ultrasonic transceiver provided with acoustic matching layer
JP2006023099A (en) Acoustic matching layer, ultrasonic transducer using it, and ultrasonic flow measuring apparatus having ultrasonic transducer
JP2004029038A (en) Ultrasonic flowmeter
JP2003284191A (en) Acoustic matching member, manufacturing method therefor, ultrasonic wave transceiver employing the same, and ultrasonic wave flowmeter
WO2005068537A1 (en) Porous body and method for producing same
JP4702345B2 (en) Ultrasonic transducer and fluid flow measurement device using it
JP2004131343A (en) Method of manufacturing porous body composed of dry gel and porous body obtained by the method
JP2008193294A (en) Acoustic matching layer and ultrasonic transmitter receiver
JP2006166183A (en) Ultrasonic vibrator and flow measurement apparatus of fluid using the same
JP2005269133A (en) Acoustic matching layer, ultrasonic wave transmitter/receiver and flow measuring apparatus of fluid having the same
JP2008263419A (en) Acoustic matching body, ultrasonic transmitter/receiver and ultrasonic flow rate flow meter
JP2007238794A (en) Silica drying gel

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090909

RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20091014

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110418

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110531

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110727

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110823

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111024

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20111115

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20111128

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141222

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees