JP2008193539A - Acoustic matching member, and ultrasonic transducer and ultrasonic current meter flowmeter using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気体、液体等流体中に超音波を送信、または、流体中を伝搬する超音波を受信する超音波送受波器に用いる音響整合部材とそれを用いた超音波送受波器、超音波流速流量計に関するものである。 The present invention relates to an acoustic matching member used in an ultrasonic transducer for transmitting ultrasonic waves in a fluid such as gas or liquid or receiving ultrasonic waves propagating in a fluid, an ultrasonic transducer using the acoustic matching member, and an ultrasonic transducer The present invention relates to a sonic flow velocity flow meter.
従来のこの種の超音波送受波器５０は、図１５に示すような構成である。同図において、超音波送受波器５０は音響整合部材５１と圧電体５２とリード線５３、５４で構成されている。音響整合部材５１と圧電体５２とは接合手段５５を介して接合されている。圧電体５２の電極５６、５７とリード線５３、５４とは電気的に接続された構成となっている。この圧電体５２で発生した振動が気体へ効率よく伝搬されるには、音響インピーダンスを考慮する必要がある。 A conventional ultrasonic transducer 50 of this type has a configuration as shown in FIG. In the figure, an ultrasonic transducer 50 is composed of an acoustic matching member 51, a piezoelectric body 52, and lead wires 53 and 54. The acoustic matching member 51 and the piezoelectric body 52 are joined via the joining means 55. The electrodes 56 and 57 of the piezoelectric body 52 and the lead wires 53 and 54 are electrically connected. In order for the vibration generated in the piezoelectric body 52 to propagate efficiently to the gas, it is necessary to consider acoustic impedance.
物体の音響インピーダンスＺは音速Ｃと、密度ρとで、式（１）のように定義される。 The acoustic impedance Z of the object is defined by the sound speed C and the density ρ as shown in Expression (1).
Ｚ＝ρ×Ｃ （１）
振動発生手段である圧電体５２の音響インピーダンスＺＰは、３０×１０６ｋｇ／（ｍ２ｓ）であり、超音波の放射媒体である気体、例えば空気の音響インピーダンスＺＡは４００ｋｇ／（ｍ２ｓ）程度であり大きく異なる。このような音響インピーダンスの異なる境界面上では超音波は反射し、透過する超音波の強さが弱くなり、効率よく伝搬されない。
Z = ρ × C (1)
Acoustic impedance Z P of the piezoelectric body 52 is a vibration generating means, 30 × a 106kg / (m 2 s), the gas is a radiant of ultrasound, for example, the acoustic impedance Z A of the air 400kg / (m 2 s ) And very different. The ultrasonic waves are reflected on the boundary surfaces having different acoustic impedances, and the intensity of the transmitted ultrasonic waves becomes weak, so that the ultrasonic waves are not propagated efficiently.
これを、解決するために用いるのが音響整合部材５１であり、圧電体５２と放射媒体との間に形成する。音響整合部材５１の音響インピーダンスＺＭは、次式（２）の関係満たすことで、超音波が放射媒体へ効率よく伝搬する。 The acoustic matching member 51 is used to solve this, and is formed between the piezoelectric body 52 and the radiation medium. The acoustic impedance Z M of the acoustic matching member 51 satisfies the relationship of the following expression (2), so that the ultrasonic wave propagates efficiently to the radiation medium.
ＺＭ＝（ＺＰ×ＺＡ）（１／２） （２）
この最適な値は、１１×１０４ｋｇ／（ｍ２ｓ）程度となる。式（２）からわかるように、音響整合部材５１は、固体で密度が小さく音速の遅いものが要求される。従来、音響整合部材５１を軽量化するため、多孔体が用いられる。例えば特許文献１に記載されているように、多孔体が、セラミックもしくはセラミックとガラスとの混合物の焼結多孔体とした構成となっている。
This optimum value is about 11 × 10 4 kg / (m 2 s). As can be seen from Equation (2), the acoustic matching member 51 is required to be solid, low in density, and low in sound speed. Conventionally, a porous body is used to reduce the weight of the acoustic matching member 51. For example, as described in Patent Document 1, the porous body is a sintered porous body made of ceramic or a mixture of ceramic and glass.
しかしながら、前記従来の構成では、音響整合部材５１を密度が小さく音速の遅いものとするために用いた多孔体が衝撃、摩擦などの外部応力に対し脆弱であるため、音響整合部材より一部剥離し発塵する。そのため超音波流速流量計に用いた場合、計測系を汚染するという課題を有していた。 However, in the conventional configuration, since the porous body used to make the acoustic matching member 51 small in density and slow in sound speed is vulnerable to external stresses such as impact and friction, it is partially separated from the acoustic matching member. Generate dust. Therefore, when used for an ultrasonic flow velocity flow meter, there is a problem of contaminating the measurement system.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、計測系の汚染しない音響整合部材、およびそれを用いた超音波送受波器、超音波流速流量計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 acoustic matching member that does not contaminate a measurement system, and an ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter using the same.
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、構成部材である音響整合部材の外周部に防塵層を備える構造としたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the ultrasonic transducer of the present invention has a structure in which a dustproof layer is provided on the outer peripheral portion of an acoustic matching member as a constituent member.
これによって、防塵層が音響整合部材より発生した剥離粒子などによる発塵性解決し、計測系の汚染を防止することができる。 As a result, the dust-proof layer can solve dust generation caused by the release particles generated from the acoustic matching member, and contamination of the measurement system can be prevented.
本発明の超音波送受波器は、音響整合部材の発塵性を解決し、計測系を汚染せず、高精度な流速流量計測を実現する超音波送受波器、超音波流速流量計とすることができる。 The ultrasonic transducer of the present invention is an ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter that solves the dusting property of the acoustic matching member and realizes high-accuracy flow velocity measurement without contaminating the measurement system. be able to.
第１の発明は、音響整合体の外周部に防塵層を備えた音響整合部材とすることにより、防塵層が音響整合部材より発生した剥離粒子などによる発塵性解決し、超音波流速流量計とした場合、高精度な流速流量計測を実現する超音波送受波器、超音波流速流量計とすることができる。 According to a first aspect of the present invention, there is provided an acoustic matching member having a dustproof layer on the outer periphery of the acoustic matching body, whereby the dustproof layer solves dust generation due to exfoliated particles generated from the acoustic matching member, and an ultrasonic flowmeter In this case, it is possible to obtain an ultrasonic transducer and an ultrasonic flow rate flow meter that realize high-accuracy flow rate flow rate measurement.
第２の発明は、音響整合体の側壁部および天部外壁面に防塵層を備えた音響整合部材とすることにより、防塵層が音響整合部材より発生した剥離粒子などによる発塵性解決し、超音波流速流量計とした場合、高精度な流速流量計測を実現する超音波送受波器、超音波流速流量計とすることができる。 The second aspect of the invention is to solve the dust generation due to the release particles generated from the acoustic matching member by providing the acoustic matching member having the dustproof layer on the side wall and the top outer wall surface of the acoustic matching body, In the case of an ultrasonic flow rate flow meter, an ultrasonic transducer and an ultrasonic flow rate flow meter that realize high-accuracy flow rate flow rate measurement can be obtained.
第３の発明は、防塵層は音響整合体より密度が高いことを特徴とする請求項１または２に記載の音響整合部材とすることにより、防塵層がより緻密な層となるため、音響整合部材より発生した剥離粒子などによる発塵性をより効果的に抑制することができる。 According to a third aspect of the present invention, since the dustproof layer has a higher density than the acoustic matching body, the dustproof layer becomes a denser layer by using the acoustic matching member according to claim 1 or 2, so that the acoustic matching It is possible to more effectively suppress dust generation due to peeling particles generated from the member.
第４の発明は、音響整合体の天部外壁面の防塵層は側壁部より薄いことを特徴とする請求項１または２に記載の音響整合部材とすることにより、超音波送受波器としたときの特性を低下させることなく、音響整合部材より発生した剥離粒子などによる発塵性をより効果的に抑制することができる。 According to a fourth aspect of the present invention, an ultrasonic transducer is provided by using the acoustic matching member according to claim 1 or 2, wherein the dust-proof layer on the top wall of the acoustic matching body is thinner than the side wall. It is possible to more effectively suppress dust generation due to peeling particles or the like generated from the acoustic matching member without degrading the characteristics at the time.
第５の発明は、音響整合体の天部外壁面の防塵層厚みは音響整合部材を伝搬する超音波波長λの五百分の一から五十分の一とした請求項１または２に記載の音響整合部材とすることにより、超音波送受波器としたときの特性を低下させることなく、音響整合部材より発生した剥離粒子などによる発塵性をより効果的に抑制することができる。 According to a fifth aspect of the present invention, the thickness of the dust-proof layer on the outer wall surface of the top of the acoustic matching body is one-fifth to one-fifth of the ultrasonic wavelength λ propagating through the acoustic matching member. By using this acoustic matching member, it is possible to more effectively suppress the dust generation due to exfoliated particles generated from the acoustic matching member without deteriorating the characteristics when the ultrasonic transducer is used.
第６の発明は、音響整合体は多孔体であるとした請求項１から５のいずれか１項に記載の音響整合部材とすることにより、超音波送受波器としたときにおいてより高出力とすることができる。 According to a sixth aspect of the present invention, the acoustic matching member according to any one of claims 1 to 5 wherein the acoustic matching body is a porous body. can do.
第７の発明は、多孔体は第一の多孔体の空隙部に第二の多孔体を形成した請求項６に記載の音響整合部材とすることにより、超音波送受波器としたときにおいてより高出力とすることができる。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an acoustic matching member according to claim 6 wherein the porous body is a second porous body formed in the void portion of the first porous body. High output can be achieved.
第８の発明は、防塵層は第一の多孔体と同一材料とした請求項７に記載の音響整合部材とすることにより、防塵層と第一の多孔体との熱膨張係数の差が小さく、密着性が良いため、超音波送受波器としたときにおいて広範囲の温度において安定して音響整合部材より発生した剥離粒子などによる発塵性をより効果的に抑制することができる。 According to an eighth aspect of the present invention, the acoustic matching member according to claim 7, wherein the dustproof layer is made of the same material as the first porous body, so that the difference in thermal expansion coefficient between the dustproof layer and the first porous body is small. In addition, since the adhesiveness is good, it is possible to more effectively suppress the dust generation property due to the release particles generated from the acoustic matching member stably in a wide range of temperatures when the ultrasonic transducer is used.
第９の発明は、第一の多孔体はセラミック材料とした請求項７に記載の音響整合部材とすることにより、無機材料であるため経年変化が小さく、超音波送受波器としたときにおいて長期にわたり安定に動作することができる。 According to a ninth aspect of the present invention, since the first porous body is an acoustic matching member according to claim 7 made of a ceramic material, since it is an inorganic material, the secular change is small, and when it is used as an ultrasonic transducer, it is long-term. Can operate stably.
第１０の発明は、第二の多孔体は多孔質有機ガラスである請求項７に記載の音響整合部材とすることにより超音波送受波器としたときにおいてより高出力とすることができ、無機材料であるため経年変化が小さく長期にわたり安定に動作することができる。 According to a tenth aspect of the present invention, the second porous body is porous organic glass. By using the acoustic matching member according to claim 7, when the ultrasonic transducer is used, a higher output can be obtained. Since it is a material, it is stable over a long period of time with little aging.
第１１の発明は、多孔質有機ガラスは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シリカ乾燥ゲルとした請求項１０に記載の音響整合部材とすることにより、重合反応を制御しやすく、超音波送受波器としたときの特性バラツキを低減することができる。 In an eleventh aspect of the invention, the porous organic glass is a silica-dried gel obtained by polymerizing and drying an organosilane compound, thereby making the acoustic matching member according to claim 10 easy to control the polymerization reaction. It is possible to reduce variation in characteristics when a sonic transducer is used.
第１２の発明は、防塵層は熱によって収縮する部材とした請求項１から５のいずれか１項に記載の音響整合部材とすることにより、加熱することによって容易に防塵層を形成することができる。 According to a twelfth aspect of the invention, the dustproof layer can be easily formed by heating by using the acoustic matching member according to any one of claims 1 to 5, wherein the dustproof layer is a member that shrinks by heat. it can.
第１３の発明は、請求項１から１２のいずれか１項に記載の音響整合部材と圧電体とを備えた超音波送受波器とすることにより、音響整合部材より発生した剥離粒子などによる発塵性をより効果的に抑制することができる。 According to a thirteenth aspect of the present invention, an ultrasonic transducer including the acoustic matching member according to any one of claims 1 to 12 and a piezoelectric body is used, thereby generating light emitted from a separation particle or the like generated from the acoustic matching member. Dust properties can be more effectively suppressed.
第１４の発明は、圧電体が密閉容器の内面に配置されてなり、請求項１から１２のいずれか１項に記載の音響整合部材が前記圧電体に対向した位置の密閉容器の外面に配置してなる超音波送受波器とすることにより、圧電体に備えられた電極の劣化、圧電体と密閉容器との接合部の劣化を低減することができる。 In a fourteenth aspect, the piezoelectric body is disposed on the inner surface of the sealed container, and the acoustic matching member according to any one of claims 1 to 12 is disposed on the outer surface of the sealed container at a position facing the piezoelectric body. By using this ultrasonic transducer, it is possible to reduce the deterioration of the electrodes provided in the piezoelectric body and the deterioration of the joint portion between the piezoelectric body and the sealed container.
第１５の発明は、請求項１３または１４に記載の超音波送受波器を具備する超音波流速流量計であって、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速流量計とすることにより防塵層によって計測系が汚染されず高精度な計測を行うことができる。 A fifteenth aspect of the present invention is an ultrasonic flowmeter comprising the ultrasonic transducer according to claim 13 or 14, wherein a flow rate measuring unit through which a fluid to be measured flows and the flow rate measuring unit include the measured flow rate Based on the propagation time, a pair of the ultrasonic transducers disposed opposite to the upstream and downstream sides of the fluid flow, an ultrasonic propagation time measurement circuit between the pair of ultrasonic transducers, and By using an ultrasonic flow rate flow meter comprising a calculation means for calculating the flow rate of the fluid to be measured, the measurement system is not contaminated by the dust-proof layer, and highly accurate measurement can be performed.
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、本発明の実施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. The present invention is not limited by the embodiment of the present 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防塵層２を備えた音響整合部材３の断面図、図２は本発明第１の実施の形態における超音波送受波器４の断面図を示している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of an acoustic matching member 3 having a dustproof layer 2 in the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer 4 in the first embodiment of the present invention. ing.
図１において、音響整合体１の外周部に防塵層２が形成された音響整合部材３となっている。図２において、超音波送受波器４は、前記防塵層２を備えた音響整合部材３と圧電体５とを接合手段６で接合した構成となっている。圧電体５は対向した電極７を備え、電極７とリード線８、９とは電気的に接合され、前記リード線８、９を介して電気信号が伝えられる。 In FIG. 1, an acoustic matching member 3 in which a dustproof layer 2 is formed on the outer peripheral portion of the acoustic matching body 1 is formed. In FIG. 2, the ultrasonic transducer 4 has a configuration in which an acoustic matching member 3 having the dustproof layer 2 and a piezoelectric body 5 are joined by a joining means 6. The piezoelectric body 5 includes opposed electrodes 7, and the electrodes 7 and the lead wires 8 and 9 are electrically joined, and an electric signal is transmitted through the lead wires 8 and 9.
以上のように構成された超音波送受波器４について、以下その動作、作用を説明する。 The operation and action of the ultrasonic transducer 4 configured as described above will be described below.
まず、超音波送受波器４は、リード線８、９を介して圧電体５に２００〜６００ｋＨｚの矩形波、あるいは、正弦波に調整した電気信号を与えることで、圧電体４が振動する。その振動に対し、防塵層２を備えた音響整合部材３はあらかじめ音響整合部材３を伝搬する超音波波長（λ）の４分の１の厚さに調整しており、圧電体５の振動に音響整合部材３が共振し、流速あるいは流量を計測する気体に対し超音波が伝搬する。音響整合部材３は、式（１）、（２）から分かるように、固体であって、密度が小さく音速の遅いものが要
求される。
First, the ultrasonic transducer 4 vibrates the piezoelectric body 4 by applying an electrical signal adjusted to a rectangular wave of 200 to 600 kHz or a sine wave to the piezoelectric body 5 via the lead wires 8 and 9. With respect to the vibration, the acoustic matching member 3 provided with the dust-proof layer 2 is adjusted in advance to a thickness of a quarter of the ultrasonic wavelength (λ) propagating through the acoustic matching member 3. The acoustic matching member 3 resonates, and ultrasonic waves propagate to the gas whose flow rate or flow rate is measured. As can be seen from the equations (1) and (2), the acoustic matching member 3 is required to be solid and have a small density and a low sound velocity.
通常このような要求を満たすには、例えば、１）ガラスの中空体を密に充填した隙間に熱硬化性のエポキシ樹脂を流し込んだ音響整合部材や、２）セラミック多孔体の空隙部に多孔質有機ガラスを形成した音響整合部材、あるいは、３）セラミック多孔体を音響整合部材とし、超音波放射面に表面緻密層を形成した音響整合部材などが用いられる。これらの音響整合部材は、特性向上のため軽量化されると、外部応力に対し脆弱になり、音響整合部材より剥離する粒子によって発塵して測定系が汚染され、計測精度の低下、あるいは測定流体の流れ遮断時に漏れが生じるという課題があった。 In order to satisfy such requirements, for example, 1) an acoustic matching member in which a thermosetting epoxy resin is poured into a gap in which a glass hollow body is closely packed, or 2) a porous portion in a void of a ceramic porous body. An acoustic matching member in which organic glass is formed, or 3) an acoustic matching member in which a ceramic porous body is used as an acoustic matching member and a surface dense layer is formed on an ultrasonic radiation surface is used. When these acoustic matching members are reduced in weight to improve their characteristics, they become vulnerable to external stress, and the measurement system is contaminated by particles that are peeled off from the acoustic matching member, resulting in a decrease in measurement accuracy or measurement. There was a problem that leakage occurred when the fluid flow was interrupted.
このような音響整合体１の外周部に防塵層２を備える音響整合体１は、たとえ音響整合体１より粒子などが剥離したとしても防塵層２によって測定系へ飛散することがなくなり、計測精度が低下することなく、高性能の超音波送受波器を計測に使用することができるようになる。そのため、防塵層２は、音響整合体１より剥離する粒子などよりも緻密であり、通常は音響整合部材よりも高密度の材料で形成する。 The acoustic matching body 1 having the dust-proof layer 2 on the outer peripheral portion of the acoustic matching body 1 does not scatter to the measurement system by the dust-proof layer 2 even if particles or the like are separated from the acoustic matching body 1, and the measurement accuracy Therefore, it becomes possible to use a high-performance ultrasonic transducer for measurement. Therefore, the dust-proof layer 2 is denser than particles that are peeled off from the acoustic matching body 1, and is usually formed of a material having a higher density than the acoustic matching member.
例えば、前記１）ガラスの中空体を密に充填した空隙部に熱硬化性樹脂を流し込んだ音響整合部材においては、熱硬化性樹脂単独の層を防塵層２として外周部に形成することできる。このとき、熱硬化性樹脂は、中空球体の空隙部に充填した樹脂と同種であるほうが好ましい。この防塵層２は例えば、スプレーによる塗布、スクリーン印刷、グラビア印刷、メタルマスク印刷、転写、ポッティングなど多くの印刷方法を用いることが可能である。 For example, in 1) the acoustic matching member in which a thermosetting resin is poured into a space where a glass hollow body is closely packed, a layer of the thermosetting resin alone can be formed as a dustproof layer 2 on the outer peripheral portion. At this time, the thermosetting resin is preferably the same type as the resin filled in the voids of the hollow sphere. The dust-proof layer 2 can use many printing methods such as spray application, screen printing, gravure printing, metal mask printing, transfer, and potting.
防塵層の材料としては、例えば、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、グアナミン樹脂、ケトン樹脂、ポリイミド、シリコン樹脂などが挙げられる。これらの樹脂と、硬化剤を混合し、先ほど示した形成方法で塗布しその後、加熱することで防塵層２を形成する。ここで、形成方法によって粘度調整のために希釈溶剤などを用いてもよい。通常、熱硬化性樹脂を選択する場合が多いが、超音波送受波器とした場合の最高使用温度である６０℃以上にガラス点移転を持つ熱可塑性樹脂であれば、使用可能である。 Examples of the material for the dustproof layer include phenol resin, urea resin, melamine resin, furan resin, unsaturated polyester resin, epoxy resin, diallyl phthalate resin, guanamine resin, ketone resin, polyimide, and silicon resin. These resins and a curing agent are mixed, applied by the formation method shown above, and then heated to form the dustproof layer 2. Here, a diluting solvent or the like may be used for viscosity adjustment depending on the forming method. Usually, a thermosetting resin is often selected, but any thermoplastic resin having a glass point transfer at 60 ° C. or higher, which is the maximum use temperature when an ultrasonic transducer is used, can be used.
そのほか防塵層２の形成方法として、熱収縮チューブなど熱よって収縮するチューブの中に、厚みを調整した音響整合部材３を配置し、加熱することで形成する。防塵層２は、またシリコンなどの弾性体でも形成可能で、この場合には、超音波送受波器４としたときの不要振動を抑制する働きをも備える。 In addition, as a method for forming the dust-proof layer 2, the acoustic matching member 3 having an adjusted thickness is placed in a tube that shrinks due to heat, such as a heat-shrinkable tube, and is formed by heating. The dustproof layer 2 can also be formed of an elastic body such as silicon. In this case, the dustproof layer 2 also has a function of suppressing unnecessary vibration when the ultrasonic transducer 4 is used.
前記２）セラミック多孔体の空隙部に多孔質有機ガラスを形成した音響整合部材、あるいは、３）セラミック多孔体を音響整合部材とし、超音波放射面に表面緻密層を形成した音響整合部材においても以上に示した熱硬化性の樹脂を塗布する方法は有効であり、防塵層２を形成することは可能である。 In 2) an acoustic matching member in which porous organic glass is formed in the void of the ceramic porous body, or 3) an acoustic matching member in which the ceramic porous body is used as an acoustic matching member and a surface dense layer is formed on the ultrasonic radiation surface. The method of applying the thermosetting resin described above is effective, and the dustproof layer 2 can be formed.
以下、前記２）セラミック多孔体の空隙部に多孔質有機ガラスを形成した音響整合部材に関して説明する。 Hereinafter, the acoustic matching member in which porous organic glass is formed in the void portion of the ceramic porous body will be described.
図３は、本発明第１の実施の形態における、セラミック多孔体１１の空隙部に多孔質有機ガラス１２を形成した音響整合体１０の断面拡大図を示すものである。 FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the acoustic matching body 10 in which the porous organic glass 12 is formed in the void portion of the ceramic porous body 11 in the first embodiment of the present invention.
図３において、音響整合体１０は、セラミック多孔体１１と前記セラミック多孔体１１の孔部に、前記セラミック多孔体１１よりも小さい孔径を備える多孔質有機ガラス１２を形成したもので、多孔質有機ガラス１２を保持するように配置されている。 In FIG. 3, an acoustic matching body 10 is formed by forming a porous organic glass 12 having a pore diameter smaller than that of the ceramic porous body 11 in the pores of the ceramic porous body 11 and the ceramic porous body 11. It arrange | positions so that the glass 12 may be hold | maintained.
本発明の音響整合体１０のセラミック多孔体１１は次のように形成するのが好ましい。 The ceramic porous body 11 of the acoustic matching body 10 of the present invention is preferably formed as follows.
セラミック多孔体１１は、少なくとも、酸化物系、非酸化物系のセラミックや、粘土鉱物等で構成される。酸化物系セラミックとしては、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。セラミック多孔体１１は、難焼成セラミック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。セラミック多孔体１１がガラスセラミックで構成されていると、熱膨張係数が小さいため、セラミック多孔体１１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。 The ceramic porous body 11 is composed of at least an oxide-based or non-oxide-based ceramic, 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. The ceramic porous body 11 is preferably composed of a hardly fired ceramic, and more preferably composed of a glass ceramic that is an oxide material selected from aluminum titanate, cordurite, and a lithia-alumina-silica compound. . When the ceramic porous body 11 is made of glass ceramic, the thermal expansion coefficient is small. Therefore, when the ceramic porous body 11 is used as an acoustic matching member of the ultrasonic transmitter / receiver of the ceramic porous body 11, sound waves can be transmitted and received stably in a wide temperature range. It is preferable in that it can be performed.
図４は、セラミック多孔体１１の製造工程フローを示している。難焼結性セラミックを粉砕する工程と、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。 FIG. 4 shows a manufacturing process flow of the ceramic porous body 11. It consists of a step of pulverizing the hardly sinterable ceramic, a step of adding an additive to the ceramic powder to form a slurry, introducing bubbles, a step of casting the slurry into a mold, and a step of firing. This will be described in detail below.
（難焼結性セラミック粉砕工程）
セラミックの粉砕は、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)
The ceramic 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 a ceramic 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）
セラミックスラリーにおいて、セラミック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。セラミックスラリー中に、セラミック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.
セラミックスラリーは、セラミックスラリー気泡導入前に脱法し、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 removed 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. Moreover, when preparing a slurry with an organic solvent, it is preferable to use a combination of at least two types of bifunctional (meth) acrylic acid.
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 the introduction of bubbles by stirring or the like in the bubble introduction 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。
(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.
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。 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。
(Slurry molding process)
The cell-containing ceramic slurry thus prepared is injected into a mold or the like and gelled to form a gel-like porous molded body. It is poured into a cylindrical mold of a bubble-containing ceramic slurry and solidified by a polymerization reaction or a gelation reaction. When the slurry is solidified, the air bubbles present in the slurry are also stored in the gel.
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。 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、本発明のセラミック多孔体１１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. Through such steps, the ceramic porous body 11 of the present invention can be obtained.
セラミック多孔体１１は、多孔体であり、複数の空隙が存在している。空隙はセラミック多孔体１１に分散して存在することが好ましい。空隙は、独立して存在する場合もあり、他の空隙と連続して存在し、外部と連通している場合もある。本音響整合体１０では、孔部が連続して存在するほうが好ましい。 The ceramic porous body 11 is a porous body and has a plurality of voids. The voids are preferably present dispersed in the ceramic porous body 11. The air gap may exist independently, may exist continuously with other air gaps, and may communicate with the outside. In the acoustic matching body 10, it is preferable that the holes exist continuously.
セラミック多孔体１１は、全体として、６０％以上９０％以下の気孔率（ここでは開気孔及び閉気孔を含む全気孔率を意味する。）を有していることが好ましい。より好ましくは、８０％以上９０％以下である。全気孔率は、以下に示す計算式（３）によって求められる。 It is preferable that the ceramic porous body 11 has a porosity of 60% or more and 90% or less as a whole (here, it means the total porosity including open pores and closed pores). More preferably, it is 80% or more and 90% or less. The total porosity is determined by the following calculation formula (3).
全気孔率（％）＝（１−かさ密度／真密度）×１００ （３）
ただし、かさ密度＝試料の重量／試料のかさ体積である。真密度は、例えば、極めて微粉化した試料の任意量をピクノメータに投入し、所定の容積に至るまで水を注入して煮沸等してボイドを排除した上で、その重さと容積との関係から求めることができる。
Total porosity (%) = (1−bulk density / true density) × 100 (3)
However, bulk density = weight of sample / bulk volume of sample. The true density is determined by, for example, putting an arbitrary amount of a finely pulverized sample into a pycnometer, injecting water up to a predetermined volume and boiling to eliminate voids, and then from the relationship between the weight and the volume. Can be sought.
全気孔率が、６０％以下では、音響整合体１の密度ρ１が大きくなり孔径９０％を超えると機械的強度の低下が著しいからである。開気孔率は、より好ましくは、６５％以上であり、また、８５％以下である。以上の材料、および製造条件を最適化し、本発明の実施の形態における音響整合体１のセラミック多孔体１１の密度を２００ｋｇ／ｍ３以上４００ｋｇ／ｍ３未満で調整することで密度の低く強度の大きいセラミック多孔体１１を実現することができた。本発明の音響整合体１０の多孔質有機ガラス１２は次のように形成するのが好ましい。 This is because if the total porosity is 60% or less, the density ρ1 of the acoustic matching body 1 is increased, and if the pore diameter exceeds 90%, the mechanical strength is significantly reduced. The open porosity is more preferably 65% or more and 85% or less. By optimizing the above materials and manufacturing conditions and adjusting the density of the ceramic porous body 11 of the acoustic matching body 1 in the embodiment of the present invention to 200 kg / m 3 or more and less than 400 kg / m 3 , the density is low and the strength is low. A large ceramic porous body 11 could be realized. The porous organic glass 12 of the acoustic matching body 10 of the present invention is preferably formed as follows.
図５は、本発明第１の実施の形態における多孔質有機ガラスとして用いたシリカ乾燥ゲルの製造工程フローを示すものである。 FIG. 5 shows a manufacturing process flow of the silica dry gel used as the porous organic glass in the first embodiment of the present invention.
図５において、シリカ乾燥ゲルの製造工程は、I原料準備工程１３、IIゲル化工程１４、III再構築工程１５、IV疎水化工程１６、V乾燥工程１７によって形成する。以下各工程に関して詳細に説明する。 In FIG. 5, the manufacturing process of the silica dry gel is formed by the I raw material preparation process 13, the II gelation process 14, the III reconstruction process 15, the IV hydrophobization process 16, and the V drying process 17. Hereinafter, each step will be described in detail.
（I原料準備工程１３）
この工程では、シリカ乾燥ゲルの主原料となるオルガノシラン化合物と、これを加水分解するための水、反応溶媒、触媒を加えて出発原材料である混合溶液を作る工程である。オルガノシラン化合物は、例えば図６、７に示す分子配置概念図のような構造を有する。図７に示した分子は、非加水分解性有機基１９がケイ素２０に直接結合しており、他のオルガノシラン化合物とは加水分解が行われない。加水分解性有機基２１も、直接ケイ素２０に結合しており、加水分解によって他のオルガノシラン化合物と加水分解し重合する。図６、７に示したオルガノシラン化合物１８、２２は、個々の原料を単一あるいは複数混合して用いても良い。
(I raw material preparation step 13)
In this step, an organosilane compound that is a main raw material of silica dry gel and water, a reaction solvent, and a catalyst for hydrolyzing the compound are added to make a mixed solution that is a starting raw material. The organosilane compound has a structure as shown in the conceptual diagram of molecular arrangement shown in FIGS. In the molecule shown in FIG. 7, the non-hydrolyzable organic group 19 is directly bonded to the silicon 20 and is not hydrolyzed with other organosilane compounds. The hydrolyzable organic group 21 is also directly bonded to the silicon 20, and is hydrolyzed and polymerized with other organosilane compounds by hydrolysis. The organosilane compounds 18 and 22 shown in FIGS. 6 and 7 may be used alone or in combination.
非加水分解有機基は、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 non-hydrolyzed organic group is not particularly limited, and examples thereof include a substituted or unsubstituted monovalent hydrocarbon group having 1 to 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（２）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 (2) includes methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltriisopropoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, 3,3,3-trifluoropropyltrimethyl. A methoxysilane etc. can be illustrated.
また、式（３）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 (3) include dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, diphenyldiethoxysilane, and methylphenyldimethoxysilane.
また、本発明に関わる乾燥ゲルを得るための出発物質は、図７に示す分子配置概念図のように、加水分解性有機基２１のみによって構成された、式（１）で表される例えばテトラアルコキシシランを含有してもよい。これらの例としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランなどが挙げられる。 In addition, the starting material for obtaining a dry gel according to the present invention is, for example, a tetramer represented by the formula (1), which is composed of only a hydrolyzable organic group 21 as shown in the molecular arrangement conceptual diagram shown in FIG. An alkoxysilane may be contained. Examples of these include tetramethoxysilane and tetraethoxysilane.
以上に例示した、図６の分子概念図に該当する分子はいずれも乾燥ゲルを柔軟化させ、破損を生じさせにくくする成分である。 Each of the molecules corresponding to the molecular conceptual diagram of FIG. 6 exemplified above is a component that softens the dried gel and makes it difficult to cause breakage.
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。 As the 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.
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。 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. In addition, when a gel is formed by hydrolysis or condensation polymerization of the first gel raw material, water necessary for hydrolysis is also added.
以上に示した化合物を、攪拌混合して、原料準備を行う。これらのオルガノシラン化合物が触媒によって加水分解され、重合される。 The compounds shown above are stirred and mixed to prepare raw materials. These organosilane compounds are hydrolyzed by a catalyst and polymerized.
（IIゲル化工程１４）
原料準備工程１３に引き続きこの工程では、準備された混合溶液に触媒を加えて加水分解重合を促進させることによってゲルの固体骨格が形成させ、ゲルに溶剤を含んだ状態である湿潤ゲルをつくる工程である。ゲル化を促進するため、必要に応じて触媒の添加、溶液温度上昇を行う。触媒は、原料準備工程において例示してあるため省略する。
(II gelation step 14)
In this step, following the raw material preparation step 13, a catalyst is added to the prepared mixed solution to promote hydrolytic polymerization, thereby forming a solid skeleton of the gel, and forming a wet gel in which the gel contains a solvent. It is. In order to promote gelation, a catalyst is added and the solution temperature is increased as necessary. The catalyst is omitted because it is exemplified in the raw material preparation step.
なお、原料準備工程１３とゲル化工程１４とで触媒を特に分割して添加しなくてもよく、原料準備工程１３とゲル化工程１４とを１度に行っても良い。 In addition, it is not necessary to divide and add the catalyst particularly in the raw material preparation step 13 and the gelation step 14, and the raw material preparation step 13 and the gelation step 14 may be performed at a time.
（III再構築工程１５）
ゲル化工程１４に引き続きこの工程では、ゲル化工程１４で形成された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、これにゲル化工程で得られた湿潤ゲルを浸漬させる。この
工程の処理時間、処理温度によって、シリカ乾燥ゲルの密度を調整することができる。
(III reconstruction process 15)
In this step subsequent to the gelation step 14, a new solid skeleton is formed while part of the solid skeleton of the wet gel formed in the gelation step 14 is decomposed. 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 obtained wet gel is immersed. The density of the silica dry gel can be adjusted by the treatment time and treatment temperature in this step.
再構築工程で用いられる再構築触媒、あるいはオルガノシラン化合物は、原料調整工程１３で例示したものを使用することができるが、特に、ゲル化工程時と同一のものである必要はない。ゲル骨格増強後、反応停止を行う目的で、再構築原料溶液を例えばイソプロピルアルコールに置換すること反応を停止させる。 As the reconstruction catalyst or the organosilane compound used in the reconstruction step, those exemplified in the raw material adjustment step 13 can be used, but it is not particularly necessary to be the same as that in the gelation step. For the purpose of stopping the reaction after enhancing the gel skeleton, the reaction is stopped by replacing the reconstituted raw material solution with, for example, isopropyl alcohol.
（IV疎水化工程１６）
再構築工程１５に引き続きこの工程では、再構築工程１５までに得られた湿潤ゲルの表面に、溶媒中に疎水化剤を溶解した疎水化溶液を反応させることで、疎水基を導入する。
(IV hydrophobization step 16)
In this step following the restructuring step 15, a hydrophobic group is introduced by reacting the surface of the wet gel obtained up to the restructuring step 15 with a hydrophobizing solution in which a hydrophobizing agent is dissolved in a 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。 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.
疎水化工程は最終的に得られる乾燥ゲルが、吸湿しないようにするための処理で、ゲルをシランカップリング処理液に投入したのち、溶液を例えばイソプロピルアルコールに置換することでシラン処理反応を停止させる。 The hydrophobization process is a treatment to prevent the final dried gel from absorbing moisture. After the gel is put into the silane coupling solution, the silane treatment reaction is stopped by substituting the solution with, for example, isopropyl alcohol. Let
（V乾燥工程１７）
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き多孔質有機ガラスであるシリカ乾燥ゲルを得る。
(V drying process 17)
In this step, the solvent is removed from the wet gel obtained up to the hydrophobization step to obtain a silica dry gel which is a porous organic glass.
湿潤ゲルから溶媒を除く乾燥方法としては、（１）自然乾燥法、（２）特殊乾燥法があ
る。
As a drying method for removing the solvent from the wet gel, there are (1) natural drying method and (2) special drying method.
（１）自然乾燥法は、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放置することで、液体状態の溶媒を気化させて除去するものであり、この乾燥法がコストの観点から最も好ましい。生産性の観点から湿潤ゲルを加熱する加熱乾燥、あるいは湿潤ゲルを大気圧以下に減圧する減圧乾燥も自然乾燥法に含むものとする。 (1) The natural drying method is the most common and simple drying method, in which a wet gel containing a solvent is allowed to stand to evaporate and remove the solvent in a liquid state. Most preferable from the viewpoint. From the viewpoint of productivity, the natural drying method includes heat-drying for heating the wet gel or vacuum drying for reducing the wet gel below atmospheric pressure.
加熱する温度は、溶媒が蒸発する温度であれば特に限定されない。 The heating temperature is not particularly limited as long as the solvent evaporates.
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、さらには水と有機溶媒との混合溶媒からの乾燥が好ましい。そのため、目的に応じて上に示した溶剤と、湿潤ゲル形成時に使用した溶剤とを置換することで乾燥時の応力を低減することができ、湿潤ゲルが乾燥時に割れにくくなる。 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 and butanol, and further from a mixed solvent of water and an organic solvent is preferable. Therefore, the stress at the time of drying can be reduced by substituting the solvent shown above according to the purpose with the solvent used at the time of forming the wet gel, and the wet gel is hardly broken at the time of drying.
（２）特殊乾燥法は、超臨界乾燥や凍結乾燥の２つの方法がある。 (2) There are two special drying methods: supercritical drying and freeze drying.
超臨界乾燥は、溶媒を超臨界状態として液体状態を経ずに取り除くことができるので、気液界面の形成される毛管力の発生がない。このため湿潤ゲルが乾燥時に割れにくくなる。乾燥に用いられる超臨界流体として、水、アルコール、二酸化炭素等がある。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多く用いられる。 In supercritical drying, the solvent can be removed in a supercritical state without passing through a liquid state, so that there is no generation of capillary force that forms a gas-liquid interface. For this reason, a wet gel becomes difficult to crack at the time of drying. Examples of supercritical fluids used for drying include water, alcohol, and carbon dioxide. Carbon dioxide, which is supercritical at the lowest temperature and is harmless, is often used.
具体的には、まず耐圧容器中に液化二酸化炭素を導入し、耐圧容器中の湿潤ゲル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, first, liquefied carbon dioxide is introduced into the pressure vessel, and the wet gel solvent 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ないので毛管力が働かない。このため、乾燥時のゲルの収縮を抑制することができる。 Freeze-drying is a drying method in which the solvent in the wet gel is frozen and the solvent is removed by sublimation. Since it does not go through a liquid state and does not produce a gas-liquid interface in the gel, capillary force does not work. For this reason, the shrinkage | contraction of the gel at the time of 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、使用する溶媒量を削減することができる。 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, the amount of solvent used can be 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.
以上のようにして形成したシリカ乾燥ゲルを含む音響整合体が得られる。 An acoustic matching body including the silica dried gel formed as described above is obtained.
前記３）セラミック多孔体を音響整合体１０とし、超音波放射面に表面緻密層を形成した音響整合部材の製造方法は、特許文献１と同様のため省略する。 The manufacturing method of the acoustic matching member in which 3) the ceramic porous body is used as the acoustic matching body 10 and the surface dense layer is formed on the ultrasonic radiation surface is the same as that of Patent Document 1, and thus the description thereof is omitted.
以上に示したセラミック多孔体１１の一部を音響整合体１０とした場合、防塵層２は、熱硬化性樹脂を塗布、硬化する形成方法に関して述べたが、この場合は、セラミック多孔体１１と有機材料との熱膨張係数が異なるため、セラミック多孔体１１と同種の無機材料を形成する方法が好ましい。 When a part of the ceramic porous body 11 shown above is used as the acoustic matching body 10, the dustproof layer 2 has been described with respect to the forming method in which a thermosetting resin is applied and cured. Since the thermal expansion coefficient is different from that of the organic material, a method of forming the same kind of inorganic material as the ceramic porous body 11 is preferable.
セラミック多孔体１１を音響整合体１０とした場合、音響整合体１０と同種の材料を含有するスラリーを作製し防塵層２を形成することが好ましく、防塵層２とセラミック多孔体１１との親和性が良いことで形成しやすく、同種の材料を使用することで線膨張係数が同じであることで、広範囲の温度領域において安定して防塵性を実現できる。以下、防塵層２として形成するセラミック材料に関して説明する。 When the ceramic porous body 11 is used as the acoustic matching body 10, it is preferable to form a slurry containing the same type of material as the acoustic matching body 10 to form the dust-proof layer 2, and the affinity between the dust-proof layer 2 and the ceramic porous body 11. It is easy to form by being good, and by using the same kind of material, the linear expansion coefficient is the same, so that dustproofness can be stably realized in a wide temperature range. Hereinafter, the ceramic material formed as the dustproof layer 2 will be described.
防塵層２として用いるセラミック材料は、通常、セラミックラリーを作製し塗布、焼結し形成する。用いるセラミック粉末は、例えば、公知酸化物系または非酸化物系セラミックや、粘土鉱物等で構成される。酸化物系セラミックとしては、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としては、炭化ケイ素系、窒化ケイ素系、窒化アルミニウム系、窒化ホウ素系、グラファイト等を挙げることができる。セラミック粉末の平均粒径特に限定はしないが、好ましくは、１０μｍ以下である。この領域のセラミック粉末を用いるとスラリー中でのセラミック粉末の分散性が向上する。 The ceramic material used as the dustproof layer 2 is usually formed by preparing a ceramic rally, applying and sintering it. The ceramic powder used is composed of, for example, a known oxide-based or non-oxide-based ceramic, clay mineral, or the like. Examples of the oxide ceramic include alumina, mullite, and zirconia, and examples of the non-oxide ceramic include silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, and graphite. be able to. The average particle size of the ceramic powder is not particularly limited, but is preferably 10 μm or less. When the ceramic powder in this region is used, the dispersibility of the ceramic powder in the slurry is improved.
セラミックラリーにおいて、セラミック粉末を懸濁する溶媒は、水、有機溶媒、これらの混合物を使用する。セラミック粉末を均一に分散させるために分散剤を添加しても良い。例えば、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などが上げられる。 In the ceramic rally, water, an organic solvent, or a mixture thereof is used as a solvent for suspending the ceramic powder. A dispersant may be added to uniformly disperse the ceramic powder. Examples include ammonium polycarboxylate and sodium polycarboxylate.
また、滑剤や増粘剤を加えることもできる。例えば、メチルセルロース、ポリビニルアルコール、サッカロース、糖蜜等を例示できる。 In addition, a lubricant or a thickener can be added. For example, methyl cellulose, polyvinyl alcohol, saccharose, molasses and the like can be exemplified.
セラミックラリーはこれらの例示した材料をボールミルやポットミル等で混合・粉砕することで得られる。得られたスラリーに、音響整合体１を浸漬処理、あるいはメタルマスク印刷、スクリーン印刷、スプレーによる塗布、ポッティングなどで形成し、焼成することで防塵層２が形成でき、発塵性を効果的に抑制することができる。 The ceramic rally can be obtained by mixing and pulverizing these exemplified materials with a ball mill or a pot mill. The dust matching layer 2 can be formed by immersing the acoustic matching body 1 in the resulting slurry by dipping treatment, metal mask printing, screen printing, spray application, potting, etc., and firing, thereby effectively generating dust. Can be suppressed.
以上に示した防塵層２に関する形成厚みに関して説明する。 The formation thickness regarding the dustproof layer 2 shown above is demonstrated.
防塵層２の厚みは、超音波の放射面に相当する天部２３の厚みは、防塵性能と、超音波特性によって限定される。表１は音響整合体天部外壁面の防塵層厚みと防塵性能および超音波特性との関係を示している。いくつかの種類の音響整合体１に防塵層２を形成し、防塵性と超音波特性を評価した。防塵性はアルコール中に防塵層２を形成した音響整合部材３を浸漬し、超音波を加えたときの前後の重量減少で評価し、超音波特性は、図８に示したように超音波送受波器４を金属製の平板２４に対向するように配置し、図９に示した電
気信号を超音波送受波器４に加え、そのときの反射した超音波を超音波送受波器４で受信した信号波形の受信出力Ａの大きさで評価した。その結果、伝搬する超音波波長（λ）の五百分の一から五十分の一としたときに、防塵性と超音波特性を満たすことができた。
The thickness of the dust-proof layer 2 is limited by the dust-proof performance and ultrasonic characteristics of the top portion 23 corresponding to the ultrasonic radiation surface. Table 1 shows the relationship between the thickness of the dustproof layer on the outer wall surface of the acoustic matching body, the dustproof performance, and the ultrasonic characteristics. The dustproof layer 2 was formed on several types of acoustic matching bodies 1 and the dustproofness and ultrasonic characteristics were evaluated. Dust resistance is evaluated by weight loss before and after the acoustic matching member 3 in which the dust-proof layer 2 is formed in alcohol and ultrasonic waves are applied. The ultrasonic characteristics are as shown in FIG. The waver 4 is disposed so as to face the metal flat plate 24, the electric signal shown in FIG. 9 is applied to the ultrasonic wave transmitter / receiver 4, and the reflected ultrasonic wave at that time is received by the ultrasonic wave wave transmitter / receiver 4. The magnitude of the received output A of the signal waveform was evaluated. As a result, when the propagation wavelength of ultrasonic waves (λ) was set to 1/5 to 1/10, the dustproof property and the ultrasonic characteristics could be satisfied.
（表１）は、音響整合体天部の防塵層厚みと防塵性能および超音波特性との関係を示すものである。 Table 1 shows the relationship between the dust-proof layer thickness of the acoustic matching body top, the dust-proof performance, and the ultrasonic characteristics.
本発明第１の実施の形態においては、以上のように、防塵層２を形成することによって、たとえ音響整合体１より剥離した粒子なども防塵層２によって測定系へ飛散することがなくなり、計測精度が低下することなく、高性能の超音波送受波器を計測に使用することができるようになる。 In the first embodiment of the present invention, as described above, by forming the dust-proof layer 2, particles and the like separated from the acoustic matching body 1 are not scattered by the dust-proof layer 2 to the measurement system. A high-performance ultrasonic transducer can be used for measurement without degrading accuracy.
また、本実施の形態では、すべて多孔体で形成された音響整合体１を用いた場合、圧電体５との接合時において、これまで接着剤が音響整合体１に浸透し、その浸透具合によって超音波特性がバラツキいたが、接着前に形成した接着面の防塵層２厚みが安定して形成することで、超音波特性が安定化することもできる。 Further, in this embodiment, when the acoustic matching body 1 formed of a porous body is used, the adhesive has so far penetrated into the acoustic matching body 1 at the time of joining with the piezoelectric body 5, Although the ultrasonic characteristics are varied, the ultrasonic characteristics can be stabilized by stably forming the thickness of the dust-proof layer 2 on the bonding surface formed before bonding.
（実施の形態２）
図１０は、本発明第２の実施の形態における超音波送受波器２９の断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 10 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer 29 according to the second embodiment of the present invention.
図１０において、超音波送受波器２９は、防塵層２を備えた音響整合部材３と圧電体５とを接合手段６で接合した構成となっている。圧電体５は対向した電極７を備え、リード線８、９と電気的に接合され、前記リード線８、９を介して電極７に電気信号が伝えられる。 In FIG. 10, the ultrasonic transducer 29 has a configuration in which the acoustic matching member 3 including the dust-proof layer 2 and the piezoelectric body 5 are joined by the joining means 6. The piezoelectric body 5 includes opposed electrodes 7 and is electrically joined to lead wires 8 and 9, and an electric signal is transmitted to the electrodes 7 through the lead wires 8 and 9.
以上のように構成された超音波送受波器２９について、以下その動作は本発明実施の形態１と同様のため、作用に関してのみ説明する。 Since the operation of the ultrasonic transducer 29 configured as described above is the same as that of the first embodiment of the present invention, only the operation will be described below.
図６は、本実施の形態２における超音波送受波器１１の製造工程断面図である。図６（ａ）においてまず、圧電体５に接着剤６を塗布形成し、音響整合部材３を貼り付け、図６（ｂ）において加熱加圧硬化し接合する。図６（ｃ）において、スプレーあるいは印刷などによって防塵層２を形成し、図６（ｄ）においてリード線を形成する。このような製造プロセスで作製することで、防塵層形成プロセスのみ異なるため、現状の製造工程を使用することができる。 FIG. 6 is a manufacturing process sectional view of the ultrasonic transducer 11 according to the second embodiment. In FIG. 6A, first, an adhesive 6 is applied and formed on the piezoelectric body 5, and the acoustic matching member 3 is attached, and in FIG. In FIG. 6C, the dust-proof layer 2 is formed by spraying or printing, and the lead wire is formed in FIG. 6D. Since the manufacturing process is different, only the dust-proof layer forming process is different, and the current manufacturing process can be used.
本発明第２の実施の形態においては、以上のように、防塵層２を形成することによって、たとえ音響整合体１より剥離した粒子なども防塵層２によって測定系へ飛散することがなくなり、計測精度が低下することなく、高性能の超音波送受波器を計測に使用することができるようになる。 In the second embodiment of the present invention, as described above, the dust-proof layer 2 is formed, so that particles separated from the acoustic matching body 1 are not scattered by the dust-proof layer 2 to the measurement system. A high-performance ultrasonic transducer can be used for measurement without degrading accuracy.
（実施の形態３）
図１２は、本発明第３の実施の形態における超音波送受波器３０の断面図を示しており、図１３は超音波送受波器３０の製造工程図である。以下超音波送受波器３０の製造工程に関して説明する。工程（ａ）は防塵層２を備えた音響整合部材３を形成する工程であり、実施の形態１、２と同様のため省略する。工程（ｂ）は、圧電体５の焼き付け銀で形成した電極３２表面と、有天筒状金属ケース３３の天部外壁面とに接合部材３４、３５として用いた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。前記有天筒状金属ケース３３は、鉄、真鍮、銅、アルミ、ステンレスあるいは、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導電性を有す材料であれば良い。
(Embodiment 3)
FIG. 12 shows a cross-sectional view of the ultrasonic transducer 30 according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a manufacturing process diagram of the ultrasonic transducer 30. Hereinafter, the manufacturing process of the ultrasonic transducer 30 will be described. Step (a) is a step of forming the acoustic matching member 3 provided with the dust-proof layer 2, and is omitted because it is the same as in the first and second embodiments. The step (b) is a step of printing the adhesive used as the joining members 34 and 35 on the surface of the electrode 32 formed of the baked silver of the piezoelectric body 5 and the top outer wall surface of the ceiling-like cylindrical metal case 33. . 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 ceiling-like cylindrical metal case 33 may be any material having conductivity, such as iron, brass, copper, aluminum, stainless steel, alloys thereof, or metals obtained by plating the surfaces of these metals.
接合部材３４である接着剤を印刷した圧電体５を、有天筒状金属ケース３３天部内壁面に、天部外壁面に防塵層２を備えた音響整合部材３を圧電体５と対向するように貼り付ける。このような状態で、加圧しながら加熱し接着剤を硬化する。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熱硬化性樹脂であれば特に限定されない。場合によっては、熱可塑性樹脂であっても、ガラス点移転が高温使用温である７０℃以下であれば接着剤として使用できる。 The piezoelectric body 5 on which the adhesive as the joining member 34 is printed is arranged so that the acoustic matching member 3 having the dust-proof layer 2 on the top wall of the ceiling-shaped cylindrical metal case 33 and the top wall is opposed to the piezoelectric body 5. Paste to. In this state, the adhesive is cured by heating while applying pressure. The adhesive is not particularly limited as long as it is a thermosetting resin such as an epoxy resin, a phenol resin, or a cyanoacrylate resin. Depending on the case, even if it is a thermoplastic resin, if it is 70 degrees C or less whose glass point transfer is high temperature use temperature, it can be used as an adhesive agent.
工程（ｃ）は、接着剤によって接合した有天筒状金属ケース３３と、導電手段３６を挿入した端子板３７とを溶接によって接合する。端子板３７は電極端子３８と電極端子３９とを備え、端子板絶縁部４０によって電気的に絶縁されている。導電手段３６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３３と電極端子３９とを電気的に接続する。電極３２と電極端子３８とは有天筒状金属ケース３３を介して電気的に接続されている。 In the step (c), the cylindrical metal case 33 joined with an adhesive and the terminal plate 37 into which the conductive means 36 are inserted are joined together by welding. The terminal plate 37 includes an electrode terminal 38 and an electrode terminal 39 and is electrically insulated by a terminal plate insulating portion 40. The conductive means 36 is composed of an elastic body such as silicon rubber, butadiene rubber, or elastomer, and a conductive body, and electrically connects the electrode 33 and the electrode terminal 39. The electrode 32 and the electrode terminal 38 are electrically connected to each other through a dome-shaped cylindrical metal case 33.
有天筒状金属ケース３３と端子板３７との溶接時に、有天筒状金属ケース３３と端子板３７とで形成した密閉空間４１内部に不活性ガスを注入し超音波送受波器３０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。溶接時に有天筒状金属ケース３３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圧電体５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。 At the time of welding the celestial tubular metal case 33 and the terminal plate 37, an inert gas is injected into the sealed space 41 formed by the celestial tubular metal case 33 and the terminal plate 37 to manufacture the ultrasonic transducer 30. did. 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. The piezoelectric body 5 provided with the silver electrode is isolated from the external environment by inserting an inert gas into the dome-shaped cylindrical metal case 33 during welding, the electrical connection is stabilized over a long period of time, and long-term reliability is ensured. .
以上のように構成した超音波送受波器３０は、防塵層２を備えた音響整合部材３を備えるため、たとえ音響整合体１より剥離した粒子などが生じても、防塵層２によって測定系へ飛散することがなくなり、計測精度が低下することなく、高性能の超音波送受波器を計測に使用することができるようになる。 Since the ultrasonic transducer 30 configured as described above includes the acoustic matching member 3 including the dust-proof layer 2, even if particles peeled off from the acoustic matching body 1 are generated, the dust-proof layer 2 leads to the measurement system. No scattering occurs, and a high-performance ultrasonic transducer can be used for measurement without degrading measurement accuracy.
（実施の形態４）
図１４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. 14 is a sectional view of an ultrasonic flow velocity / flow meter according to the fourth embodiment of the present invention.
図１４において、流体の流れる流量計測部４２に防塵層２を備えた音響整合部材３を有する超音波送受波器４３、４４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４３から伝搬する超音波の伝搬経路を示しており、Ｌ２は下流側に配置された超音波送受波器４４の超音波の伝搬経路を示している。 In FIG. 14, a pair of ultrasonic transducers 43 and 44 having an acoustic matching member 3 having a dustproof layer 2 in a flow rate measurement unit 42 through which a fluid flows are arranged obliquely. L1 shows the propagation path of the ultrasonic wave propagating from the ultrasonic transducer 43 arranged on the upstream side, and L2 shows the ultrasonic wave propagation path of the ultrasonic transducer 44 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４３を超音波送波器、超音波送受波器４４を超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器４３から出た超音波パルスが超音波送受波器４４に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （４）
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 43 is used as an ultrasonic transmitter and the ultrasonic transmitter / receiver 44 is used as an ultrasonic receiver, an ultrasonic pulse emitted from the ultrasonic transmitter / receiver 43 is converted into the ultrasonic transmitter / receiver 44. The propagation time t1 to reach
t1 = L / (C + V cos θ) (4)
Indicated by
次に超音波送受波器４４から出た超音波パルスが超音波送受波器４３に到達する伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （５）
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）） （６）
の式が得られる。
Next, the propagation time t2 at which the ultrasonic pulse emitted from the ultrasonic transducer 44 reaches the ultrasonic transducer 43 is:
t2 = L / (C−V cos θ) (5)
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)) (6)
The following equation is obtained.
Ｌとθが既知なら、計測回路４５にてｔ１とｔ２とを測定すれば流速Ｖが求められる。必要に応じて、この流速Ｖに流量計測部４２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４６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 45. 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 42 and the correction coefficient K. The calculating means 46 calculates Q = KSV.
以上のように構成した超音波送受波器４３、４４は、防塵層を備えた音響整合部材３を備えるため、たとえ音響整合体１より剥離した粒子なども防塵層２によって測定系へ飛散することがなくなり、計測精度が低下することなく、高性能の超音波送受波器を計測に使用することができるようになる。 Since the ultrasonic transducers 43 and 44 configured as described above include the acoustic matching member 3 having the dust-proof layer, even particles separated from the acoustic matching body 1 are scattered by the dust-proof layer 2 to the measurement system. Therefore, a high-performance ultrasonic transducer can be used for measurement without degrading measurement accuracy.
以上のように、本発明にかかる防塵層を備えた音響整合部材とそれを用いた超音波送受波器、超音波流速流量計は、計測系の汚染しない、高性能な音響整合部材および超音波送受波器とすることができるので、計測系を汚染せず高精度な計測を行うことができ、長期信頼性を要求される家庭用ガスメ−タなどの用途の適用できる。 As described above, the acoustic matching member including the dust-proof layer according to the present invention, the ultrasonic transducer and the ultrasonic flowmeter using the same, and the high-performance acoustic matching member and ultrasonic wave that do not contaminate the measurement system. Since the transmitter / receiver can be used, it is possible to perform highly accurate measurement without contaminating the measurement system, and it is possible to apply applications such as a home gas meter that requires long-term reliability.
１ 音響整合部材
２ 防塵層
３ 防塵層を備えた音響整合部材３
４２ 流量計測部
４３、４４ 超音波送受波器
４５ 計測回路
４６ 演算手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Acoustic matching member 2 Dust-proof layer 3 Acoustic matching member 3 provided with the dust-proof layer
42 Flow Rate Measurement Units 43, 44 Ultrasonic Transceiver 45 Measurement Circuit 46 Calculation Means
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