JP2013153398A - 超音波振動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波振動の伝搬時間を正確に測定できる超音波振動体を提供すること。
【解決手段】 超音波振動体１の炭素繊維複合材料２側をステンレス容器６の側面に接触媒質であるシリコン系グリースを介して接触させた。なお、超音波振動体１の中心軸位置をステンレス容器６の底面から高さ約４０ｍｍにする。次に超音波振動体１の圧電素子３に印加電圧が２ＭＨｚ、１０Ｖｐ−ｐのｓｉｎ波パルスを印加する。その結果、超音波は、炭素繊維複合材料２、ステンレス容器６を伝搬し、純水９に伝搬し、対向するステンレス容器６の内面でほとんどが反射して再び純水９中に伝搬し、ステンレスを伝搬し炭素繊維複合材料２を伝搬し圧電素子３に伝搬する。前記圧電素子３に伝搬した超音波振動により、圧電素子３に電圧が発生し、受信波形が得られる。
【選択図】図５

Description

本発明は、超音波振動体に関するものである。超音波振動体は、超音波レベル計、超音波厚さ計、超音波濃度計、超音波魚群探知機そして超音波流量計などの計測器で用いられる。

超音波振動の伝播時間を測定することによる計測器において、超音波レベル計は、容器内の液面の位置を測定する。超音波厚さ計は、対象物の厚さを測定する。超音波濃度計は対象物の濃度を測定する。超音波魚群探知機は海水中の対象物の位置を測定する。そして超音波流量計は流体の流量を測定する。

特許文献１は、受信感度の感度を示すＳ／Ｎを上げ、トリガのかけ易さを示す波形の立ち上がり特性を良好にする超音波流量計の構成を説明している。整合層の厚さを、整合層の音速（ｍ／ｓ）と超音波の周波数（Ｈｚ）から求められる整合層材料の波長λ（ｍ）の０．１８λ以上で０．２２λ以下、好ましくは０．２λとすると記載されている。

特許文献２は、トリガ法と相関法を併用した伝搬時間差式の超音波流量計について記述してある。その中で、トリガ法は、受信波形から直接時間差を求めるという点から、高精度な計測が可能であるという反面、流体に異物や気泡などが混入し、受信波形が乱れた場合に計測ができなくなりやすいという欠点がある。しかし、相関法は両波形を相関した波形から求めているため、ある程度の異物や気泡などが混入しても計測可能であるが、トリガ法ほどの精度が得られないという欠点を持つと記載ある。

特許文献３、特許文献４は、繊維複合材料中の高弾性繊維の配向方向の音響振動を抑制し、該高弾性繊維と直交する方向の音響振動を優先的に伝達する圧電振動体について記載されている。

特開２００１−３３０４８５号公報 特開２０１０−３８６６７号公報 特開平７−２８４１９８号公報 ＷＯ２００４／０７５７５３号公報

超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成１１年８月、ｐ３４６−３４７

しかし振動損失の小さい（機械的品質係数の大きい）材料、例えばステンレスのような金属材料では、特許文献１に記述された方法では、受信する超音波振動の立ち上がりが十分ではない。

また、特許文献２のトリガ法と相関法を併用した伝搬時間差式を併用する方式においても受信波形の立ち上がりが悪いと、常に相関法を用いることになり精度の高い伝播時間差を求められないという問題点がある。

さらに、整合特性の最も良好である材料の１つである整合材料である繊維複合材料を、超音波の伝搬方向に繊維複合材料中の繊維を直交する方向に繊維を配置する方法を用いても受信波形の立ち上がりが十分でない場合もあり、そして超音波伝搬損失が大きく、十分な感度が取れないという問題点がある。

そこで、受信波形の立ち上がり特性を向上させるため、繊維複合材料の使用する方法を従来の方法と異ならせることにより上記の問題点を解決する方法を考案した。

本発明は、樹脂もしくは樹脂の炭素化物からなる母材中に引張り弾性率が１００ＧＰａ以上の複数の高弾性繊維がそれぞれ同一方向に配向し、その高弾性繊維の配向方向が圧電素子との接合面に垂直である繊維複合材料と圧電素子を接合してなる超音波振動体とするものである。

本発明はまた、円柱状の繊維複合材料が柱方向に繊維を配向させ、柱方向の長さを直径より大きくする超音波振動体とするものである。

本発明はまた、多角形柱状の繊維複合材料が柱方向に繊維を配向させ、柱方向の長さを多角形の辺の長さより大きくする超音波振動体とするものである。

本発明はまた、円柱状の繊維複合材料に柱方向に繊維を配向させ、柱方向の長さを直径以下で０．２ｍｍより長くする超音波振動体とするものである。

本発明はまた、多角形柱状の繊維複合材料の柱方向に繊維を配向させ、柱方向の長さを多角形の辺の長さ以下にして、０．２ｍｍより長くする超音波振動体とするものである。

本発明はまた、高弾性繊維が炭素繊維もしくは炭素含有繊維とする超音波振動体とするものである。

本発明の超音波振動体によれば、受信波形の立ち上がりが急峻であり、かつ超音波振動の伝搬損失が小さいためトリガ法を用いて伝搬時間差を高精度に測定できる。

本発明による超音波振動体を評価する構成である。 図１の超音波振動体を伝搬した超音波の受信波形である。 図２の受信波形から求めた音速である。 図１の構成において超音波振動体の長さと検出電圧の関係を示すグラフである。 ステンレス容器に超音波振動子を取り付けた平面図である。 図５の側面図である。 炭素繊維複合材料を用いた超音波振動子を示す平面図である。 図７でのＡ−Ａ線での断面を示す図である。 図５の構成での受信波形である。 ＰＦＡ容器に本発明の超音波振動体を用いた超音波振動子を取付けたことを示す断面図である。 図１０での構成においての受信波形である。 曲がった超音波振動体を示す斜視図である。 傾斜した超音波振動体を示す斜視図である。

本発明の形態である基本的な構成を図１の斜視図を用いて説明する。本発明は図１（ａ）の構成であるが、比較のため図１（ｂ）、図１（ｃ）そして図（ｄ）の構成についても説明する。図１（ａ）は、炭素繊維複合材料２の超音波伝搬方向の両側にエポキシ樹脂７により圧電素子３ａ、３ｂ直径１０ｍｍそして厚さ１ｍｍを接着する。炭素繊維複合材料２は長さ４０ｍｍ、幅１０ｍｍそして高さ１０ｍｍである。そして炭素繊維複合材料２の超音波伝搬方向と同じ方向（図中の２点鎖線）に炭素繊維を配向させている。

図中に記した座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚを用いて図１（ａ）を説明する。炭素繊維複合材料２のＸ方向の長さは４０ｍｍ、Ｙ方向の長さが１０ｍｍそしてＺ方向の長さは１０ｍｍである。そして炭素繊維複合材料２のＸ方向の両側にエポキシ樹脂７により圧電素子３ａ、３ｂ直径１０ｍｍそして厚さ１ｍｍを接着する。炭素繊維複合材料２の炭素繊維はＸ方向に配向している。

前記圧電素子３は鉛系の圧電セラミックであり、機械的品質係数Ｑｍが約８０のＬｏｗＱ材である。そして両面に銀電極を焼付けにより設けている。また銀電極面に垂直である方向に分極されている。

ここで炭素繊維複合材料２中の超音波伝搬を観察する方法について説明する。まず圧電素子３ａに２ＭＨｚ、１０Ｖｐ−ｐのサイン波パルスを印加する。炭素繊維複合材料２中の炭素繊維方向と同じ方向に超音波は伝搬し、圧電素子３ｂに伝搬し、圧電効果により電圧を発生させる。この電圧をオシロスコープにより測定することにより波動を観察する。そして図２（ａ）に観察した波形を示す。ここでは最大電圧が２波目であり約１．１２Ｖｐ−ｐであった。

Ｘ、Ｙ、Ｚを用いて図１（ｂ）を説明する。炭素繊維複合材料２のＸ方向の長さは４０ｍｍ、Ｙ方向の長さが１０ｍｍそしてＺ方向の長さは１０ｍｍである。そして炭素繊維複合材料２のＸ方向の両側にエポキシ樹脂７により圧電素子３ａ、３ｂ直径１０ｍｍそして厚さ１ｍｍを接着する。炭素繊維複合材料２中の炭素繊維はＹ方向に配向している。超音波伝搬方向と炭素繊維複合材料２中の炭素繊維の配向方向とは直交している。［００２５］
前記圧電素子３は鉛系の圧電セラミックであり、機械的品質係数Ｑｍが約８０のＬｏｗＱ材である。そして両面に銀電極を焼付けにより設けている。また銀電極面に垂直である方向に分極されている。

ここで炭素繊維複合材料２中の超音波伝搬を観察する方法について説明する。まず圧電素子３ａに２ＭＨｚ、１０Ｖｐ−ｐのサイン波パルスを印加する。炭素繊維複合材料２中の炭素繊維方向と直交する方向に超音波は伝搬し、圧電素子３ｂに伝搬し、圧電効果により電圧を発生させる。この電圧をオシロスコープにより測定することにより波動を観察する。そして図２（ｂ）に観察した波形を示す。ここでは最大電圧が３波目であり約０．０３９Ｖｐ−ｐであった。

Ｘ、Ｙ、Ｚを用いて図１（ｃ）を説明する。炭素繊維複合材料２のＸ方向の長さは４０ｍｍ、Ｙ方向の長さが１０ｍｍそしてＺ方向の長さは１０ｍｍである。そして炭素繊維複合材料２のＸ方向の両側にエポキシ樹脂７により圧電素子３ａ、３ｂ直径１０ｍｍそして厚さ１ｍｍを接着する。炭素繊維複合材料２中の炭素繊維はＸ方向とＹ方向の２方向に配向している。超音波伝搬方向と炭素繊維複合材料２中のＸ方向に配向した炭素繊維の配向方向は同じであり、超音波伝搬方向と炭素繊維複合材料２中のＹ方向に配向した炭素繊維の配向方向とは直交している。

前記圧電素子は鉛系の圧電セラミックであり、機械的品質係数Ｑｍが約８０のＬｏｗＱ材である。そして両面に銀電極を焼付けにより設けている。また銀電極面に垂直である方向に分極されている。

ここで炭素繊維複合材料２中の超音波伝搬を観察する方法について説明する。まず圧電素子３ａに２ＭＨｚ、１０Ｖｐ−ｐのサイン波パルスを印加する。炭素繊維複合材料２中に超音波は伝搬し、圧電素子３ｂに伝搬し、圧電効果により電圧を発生させる。この電圧をオシロスコープにより測定することにより波動を観察する。そして図２（ｃ）に観察した波形を示す。ここでは最大電圧が５波目であり約０．１４６Ｖｐ−ｐであった、また波形が乱れているが、これは炭素繊維複合材料２中の炭素繊維の配向方向が、超音波の伝搬方向と同じ方向に配向しているものと、直交しているものが存在することによるものであると考えられる。

Ｘ、Ｙ、Ｚを用いて図１（ｄ）を説明する。炭素繊維複合材料２のＸ方向の長さは４０ｍｍ、Ｙ方向の長さが１０ｍｍそしてＺ方向の長さは１０ｍｍである。そして炭素繊維複合材料２のＸ方向の両側にエポキシ樹脂７により圧電素子３ａ、３ｂ直径１０ｍｍそして長さ１ｍｍを接着する。炭素繊維複合材料２中の炭素繊維はＹ方向とＺ方向の２方向に配向している。超音波伝搬方向と炭素繊維複合材料２中のＹ、Ｚ方向に配向した炭素繊維の配向方向とは直交している。

前記圧電素子は鉛系の圧電セラミックであり、機械的品質係数Ｑｍが約８０のＬｏｗＱ材である。そして両面に銀電極を焼付けにより設けている。また銀電極面に垂直である方向に分極されている。

ここで炭素繊維複合材料２中の超音波伝搬を観察する方法について説明する。まず圧電素子３ａに２ＭＨｚ、１０Ｖｐ−ｐのサイン波パルスを印加する。炭素繊維複合材料２中の炭素繊維方向と直交方向に超音波は伝搬し、圧電素子３ｂに伝搬し、圧電効果により電圧を発生させる。この電圧をオシロスコープにより測定することにより波動を観察する。そして図２（ｄ）に観察した波形を示す。ここでは最大電圧が３波目であり約０．０５１Ｖｐ−ｐであった。

ここで、炭素繊維複合材料２の材料物性を表１に示す。一方向とあるのは炭素繊維複合材料２中に炭素繊維がＸ方向にだけ配置しているものである。直交とあるのは、炭素繊維複合材料２中に炭素繊維がＹ方向とＺ方向にだけ配置しているものである。

図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）そして図２（ｄ）より超音波の伝播時間と音速、そして受信波形で最大ピークを持つ受信波数とそのピーク値を表２にまとめた。受信波形を１０波以下としたのは、トリガ法と関連するものである。なお、音速は例えば図２（ａ）の構成において炭素繊維複合材料２の長さを５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍを追加して伝播時間を測定して図３のグラフを作成し、直線回帰式を求めることにより算出した。

伝搬時間の測定法にトリガ波を用いてゼロクロス点を測定することによりｎｓオーダーまで精密に伝播時間を測定されると非特許文献１に記載されている。

ここでＵＬとは図１（ａ）の構成、ＵＴは図１（ｂ）の構成、ＬＴは図１（ｃ）の構成、ＴＴは図１（ｄ）の構成を示すものである。

以上の結果より、超音波振動の減衰の小さい材料は炭素繊維の方向が超音波伝搬方向と同じものであり、炭素繊維の配向方向が超音波伝搬方向に直交するものは、減衰が大きくなる。したがって、超音波伝搬方向と炭素繊維複合材料２中の炭素繊維の配向方向が同じであるときだけが超音波振動の減衰の小さい材料になる。

また炭素繊維は、炭素繊維複合材料２中では、連続であることが望ましい。なぜなら、連続でない場合、樹脂が炭素繊維の間に入り込み、超音波振動を減衰させる。

ここで受信波形の立ち上がりを受信波形のピークの最大である波数で表現する。表２で示すように超音波伝搬方向と炭素繊維複合材料２中の炭素繊維の配向方向が同じであるとき、２波目のピークの電圧値が最大である。他のＵＴ、ＴＴは、３波目であり、ＬＴが５波目である。ＬＴは炭素繊維複合材料２中に超音波伝搬方向と同じ方向に配向した繊維と直交する方向に配向した繊維がある。これにより伝搬経路が複雑になり受信波形が乱れたと考えられる。１０波目までに最大のピークがないということは、立ち上がりの悪い波形であるので、１０波目までに最大のピークがない波形は、トリガ法を用いることができないと判断することができる。

以上のように超音波伝搬の損失の小さいことと受信波形の立ち上がりの両者が良好であるのは、異方性のある繊維複合材料中の炭素繊維が超音波伝搬方向だけに配向しているものだけであることがわかる。

そして、炭素繊維複合材料２の形状においては、円柱である場合は、直径より長さが大きいことが望ましい。これは、基本振動を長さ方向の振動モードにするためである。こうすることで炭素繊維複合材料２の特徴を繊維方向と形状によるものとを一致させることでさらにその特徴を強めることができる。また多角形柱状の場合は、最大の辺の長さより、柱の長さを大きくすることにより基本振動を柱の長さ方向の振動モードにする。さらに多角形柱状の場合、四角形以上は対角線での最大の長さより、柱の長さを大きくすることにより、より確実に基本振動を柱の長さ方向の振動モードにすることができる。

図４は、図１の構成での超音波伝搬長さと検出電圧の関係を示すが、ＵＬは、炭素繊維複合材料２の長さが１０ｍｍ以上になると他のＵＴ、ＬＴ、ＴＴと比較して、２倍以上の検出電圧が得られ、さらに長くなると他との差が大きくなる。これは、材料の伝搬損失に形状の効果が付加されたものによると考える。

そこで、炭素繊維複合材料２の形状の影響が、円柱の場合は、柱の長さと直径の大きさが等しい位置を境界にして異なると考えられる。多角形柱の場合は辺の長さまたは対角線の長さと柱の長さが等しい位置を境界にして異なると考えられる。つまり円柱の場合は、柱の長さが直径の大きさより大きいと柱の長さ方向の振動が基本モードになるため、超音波は柱の長さ方向により伝搬する。そして柱方向に配向した炭素繊維を持つので炭素繊維複合材料２の柱方向の振動損失は小さくなる。以上の２点の相乗効果によりこの構成だけがきわめて優れた超音波振動子となると考えられる。

円柱の長さが直径の大きさ以下である場合、基本振動モードは、径方向の振動であり炭素繊維の方向とは直交する。したがって炭素繊維の効果のみが強く現れると考えられる。炭素繊維は高弾性である効果より波形の立ち上がりが良くなることが考えられる。

多角形柱の場合にも同様であり、柱の長さが辺または対角線の大きさより大きい場合は、伝搬波形も良好そして受信感度も高くなると考えられる。柱の長さが辺または対角線の大きさ以下であるときは、高弾性繊維の効果で波形の立ち上がりが良くなることが考えられる。

次に、圧電素子３と炭素繊維複合材料２を接合した超音波振動子からステンレスへの超音波伝搬特性について説明する。通常、伝搬特性を向上させるために整合層は伝搬する振動の波長の１／４の長さに設定する。しかし、ここでは整合という概念を用いないで、超音波を伝搬させる新しい概念によるものであるから超音波振動子を構成する炭素繊維複合材料２の長さを０．２１ｍｍから４０ｍｍまでの広い範囲の波形と感度を観察する。

図５の平面図、図６の側面図を用いて説明する。ステンレス容器６の寸法は、内側が長さ１００ｍｍ、幅７０ｍｍそして高さが１００ｍｍであり、そしてステンレス容器６の厚みは６ｍｍである。また純水９が容器の底から約８０ｍｍの高さの位置まである。

図７の平面図と図７のＡ−Ａ線での断面を示す図８を用いて超音波振動体１を説明する炭素繊維複合材料２は１０ｍｍ角、長さ０．２１ｍｍから４０ｍｍまでのものである。また炭素繊維は面に垂直方向であり長さ方向に配向させている。つまり超音波伝播方向と同じ方向に炭素繊維は配向したものである。そして炭素繊維複合材料２の一方の面にエポキシ樹脂７により圧電素子３を接合し、超音波振動体１を構成する。

圧電素子３は直径１０ｍｍで厚さが１ｍｍであり、材料は鉛系の圧電セラミックであり、機械的品質係数Ｑｍが約８０のＬｏｗＱ材である。炭素繊維複合材料２と圧電素子３を図７、図８のようにそれぞれの面の中心を一致させエポキシ樹脂７により接合する。炭素繊維複合材料２と圧電素子３を接合した構成は超音波振動体１となる。

上記に説明した超音波振動体１の炭素繊維複合材料２側をステンレス容器６の側面に接触媒質であるシリコン系グリースを介して接触させた。なお、超音波振動体１の中心軸位置をステンレス容器６の底面から高さ約４０ｍｍにする。

次に超音波振動体１の圧電素子３に印加電圧が２ＭＨｚ、１０Ｖｐ−ｐのｓｉｎ波パルスを印加する。その結果、超音波は、炭素繊維複合材料２、ステンレス容器６を伝搬し、純水９に伝搬し、対向するステンレス容器６の内面でほとんどが反射して再び純水９中に伝搬し、ステンレスを伝搬し炭素繊維複合材料２を伝搬し圧電素子３に伝搬する。

前記圧電素子３に伝搬した超音波振動により、圧電素子３に電圧が発生し、図９で示す受信波形が得られる。図９ａは炭素繊維複合材料２の厚さが０．２１ｍｍであり、図９ｂは０．４３ｍｍ、図９ｃが４０ｍｍの受信波形を示す、そして図８ｄは炭素繊維複合材料２を使用しないで直接圧電素子３をステンレス容器６にシリコン系グリースを介して接触させたときの受信波形である。

実際に受信波形を観察したのは、炭素繊維複合材料２の厚さ、０．２１ｍｍ、０．４３ｍｍ、０．８６ｍｍ、１．７２ｍｍ、３．４２ｍｍ、５．１４ｍｍ、６．８５ｍｍ、８．５８ｍｍ、１０．３ｍｍ、１２．０ｍｍ、１３．７ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍの１４種類である。それに炭素繊維複合材料２を使用しないで直接圧電素子３をステンレス容器６にシリコン系グリースを介して接触させたときの受信波形である。

炭素繊維複合材料２を使用しないで直接圧電素子３（直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）をステンレス容器にシリコン系グリースを介して接触させたときの受信波形は、プラス側のピーク電圧は１７．８ｍＶであった。これと比較して炭素繊維複合材料２の厚さが０．２１ｍｍの受信波形はほぼ同じでありプラス側のピーク電圧は８．３８ｍＶであった。したがって厚さが０．２１ｍｍの炭素繊維複合材料２は、ほぼ負荷になっているだけであり超音波伝播体としては作用していない。超音波伝播体の作用とは、従来の材料に比較して受信波形の立ち上がりが良くなっていること、または受信感度が高くなっていること、あるいはもちろん両方でも良い。

炭素繊維複合材料２の厚さが０．４３ｍｍである受信波形は３波目にプラス側の第１のピーク電圧は１５．８ｍＶであり、７波目にプラス側の第２のピーク電圧は２０．４ｍＶである。厚さが０．４３ｍｍの炭素繊維複合材料２は、同等以上の受信電圧を持ち、トリガが可能なピークが３波目にある。したがって超音波振動体としての作用がある。

さらに炭素繊維複合材料２の長さが４０ｍｍの受信波形は、２波目にプラス側のピーク電圧があり、１０．７ｍＶである。波形はトリガ法に適している。ＳＮ比が良好であるため受信波形を増幅することによりさらに適した波形になる。受信電圧を上げる他の手段としては、駆動電圧を大きくする。例えば印加電圧を２ＭＨｚ、３０Ｖｐ−ｐのｓｉｎ波パルスにすることである。

トリガ法に適しているとは、次に説明する状態である。前後の波より高い電圧値を持つ波のピーク電圧値が、前の波形より電圧値が大きさでだけでなく、ピーク電圧値と前の波の中で最も大きい電圧値との比較が重要である。トリガ法にとっては、前の波の電圧値をノイズと考えることができるのでＳＮ比と同様の取り扱いができる。したがってピーク電圧値と前の波と比較した電圧比が大きいことの両方が望まれる。

そこで波形のＳＮ比が高ければ、波形を電気的に増幅することにより、トリガ法に適した波形にすることができる。

比較のためにステンレス棒１０ｍｍφ長さ４０ｍｍの片方に端面に直径１０ｍｍで厚さが１ｍｍの圧電素子３をエポキシ樹脂７で接合し、上と同様のことをして受信波形を観察したが、ステンレスを伝搬する大きなノイズのため小さな受信波形を確認できなかった。

さらに比較のためにアクリル棒１０ｍｍφ長さ４０ｍｍの片方に端面に直径１０ｍｍで厚さが１ｍｍの圧電素子３をエポキシ樹脂７で接合し、上と同様のことをして受信波形を観察したが、アクリルを伝搬する低周波の大きな受信波形に非常に小さい信号となる波形が乗ってしまい、トリガ法を用いることができない。

したがって、炭素繊維複合材料２の長さが４０ｍｍの受信波形は、従来の材料に比較して受信波形の立ち上がりが良くなっていること、そして受信感度が高くなっていることから超音波振動体としての作用がある。

炭素繊維複合材料２の長さが４０ｍｍでも超音波の送受信に使用できるということは、例えば２００℃の流体を収納する容器に接する超音波振動体１としては非常に有効である。容器に接する炭素繊維複合材料２の温度が２００℃でも圧電素子３と接する炭素繊維複合材料２の温度はかなり低くなるので通常の圧電素子３を用いることができる。また圧電素子３の温度変化が小さくなるため測定精度を高めることができる。このような高温用途は、超音波流量計、超音波レベル計などがある。また、さらに高い温度で使用される場合は、炭素繊維複合材料２の母材である有機材料を不活性雰囲気で熱処理することにより炭素化または一部炭素化することにより炭素繊維複合材料２の耐熱性を高める。

炭素繊維複合材料２の形状の作用を考えない１０ｍｍ以下の長さで、炭素繊維複合材料２内の炭素繊維の効果により立ち上がり特性を改善できたことを確認した。その長さは０．４２ｍｍであったが、０．２１ｍｍでは確認できなかった。したがって形状の作用を考えない１０ｍｍ以下の厚さで０．２ｍｍより大きい長さが必要であることが明らかになった。

炭素繊維複合材料２の形状の作用を利用できると考える１０ｍｍ以上の厚さで、炭素繊維複合材料２内の炭素繊維の効果により立ち上がり特性を改善できたこと、そして受信感度を高めることができることを確認した。その長さは４０ｍｍであった。上限は実際に使用するときの問題である。実際、炭素繊維複合材料２の長さを６０ｍｍにして同じように測定した結果、２波目にプラス側のピーク電圧があり、１４．８ｍＶである。波形は４０ｍｍよりさらによくなった。

さらに、超音波振動体１の炭素繊維複合材料２からＰＦＡへの超音波伝搬特性について説明する。通常、伝搬特性を向上させるために整合層は伝搬する振動の波長の１／４の長さに設定する。しかし、ここでは整合という概念を用いないで、超音波を伝搬させる新しい概念によるものであるから、炭素繊維複合材料２の長さを０．２１ｍｍから４０ｍｍまでの広い範囲での波形と感度を観察する。

図１０の断面図を用いて説明する。図１０に示す全体をＰＦＡ容器８という。ＰＦＡ（ポリテトラフルオロエチレン）製の円管の寸法は、内径が４ｍｍ、外径１６ｍｍそして超音波を送受信する長さが約６０ｍｍである。また超音波振動体１と流体との間のＰＦＡの長さは３ｍｍである。そして炭素繊維複合材料２と接する面の距離が９２ｍｍである。円管内の流体は純水９である。

そして、前記と同様に炭素繊維複合材料２は１０ｍｍ角、厚さ０．２１ｍｍから４０ｍｍまでの長さである。また炭素繊維は超音波伝播方向と同じ方向に配向したものである。そして超音波振動体１は、炭素繊維複合材料２の一方の面にエポキシ樹脂７により圧電素子３を接合した。

圧電素子３は直径１０ｍｍで厚さが１ｍｍであり、材料は鉛系の圧電セラミックであり、機械的品質係数Ｑｍが約８０のＬｏｗＱ材である。図のように炭素繊維複合材料２と圧電素子３をエポキシ樹脂７により接合して超音波振動体１を作成した。

上記に説明した超音波振動体１をＰＦＡに接触媒質であるシリコン系グリースを介して接触面を炭素繊維複合材料２として接触させた。

次に超音波振動体１の圧電素子３ａに印加電圧が２ＭＨｚ、１０Ｖｐ−ｐのｓｉｎ波パルスを印加する。その結果、超音波は、炭素繊維複合材料２、ＰＦＡを伝搬し、純水９に伝搬し、対向するＰＦＡ面伝搬し、炭素繊維複合材料２を伝搬し圧電素子３ｂに伝搬する。

前記圧電素子３ｂに伝搬した超音波振動により、圧電素子３ｂに電圧が発生し、図１１で示す受信波形が得られる。図１１ａは炭素繊維複合材料２の厚さが０．２１ｍｍであり、図１１ｂは０．４３ｍｍ、図１１ｃが４０ｍｍ、そして図１１ｄは炭素繊維複合材料２を使用しないで直接圧電素子３ａ、３ｂをＰＦＡにシリコン系グリースを介して接触させたときの受信波形である。

ここで炭素繊維複合材料２を使用しないで直接圧電素子３ａ、３ｂをＰＦＡにシリコン系グリースを介して接触させたときの受信波形において、７波目にプラス側のピークがあり電圧は７．１０ｍＶであった。これと比較して炭素繊維複合材料２の長さが０．２１ｍｍの受信波形はほぼ同じであるが４波目にプラス側のピークがあり、プラス側のピーク電圧は１０．８ｍＶであった。１波目からピーク電圧をもつ４波目の電圧の増加が緩やかであるためトリガ法には適さない波形である。長さ０．２１ｍｍの炭素繊維複合材料２は、少し改善されているが超音波伝播体としては目立った作用はしていない。

炭素繊維複合材料２の厚さが０．４３ｍｍの受信波形は、３波目にプラス側のピーク電圧に９．３８ｍＶを持つ。したがって厚さが０．４３ｍｍの炭素繊維複合材料２は、炭素繊維複合材料２を使用しないで直接圧電素子３ａ、３ｂをＰＦＡにシリコン系グリースを介して接触させたときと同等以上の受信電圧を持ち、トリガが可能なピークが３波目にある。したがって超音波振動体としての作用がある。

炭素繊維複合材料２の長さが４０ｍｍの受信波形は、３波日にプラス側のピーク電圧があり、５．２ｍＶである。波形はトリガ法に適している。ＳＮ比が良好であるため受信波形を増幅することによりさらに適した波形になる。受信電圧を上げる他の手段としては、駆動電圧を大きくする。例えば印加電圧を２ＭＨｚ、３０Ｖｐ−ｐのｓｉｎ波パルスにすることである。

比較のためにステンレス棒１０ｍｍφ長さ４０ｍｍの片方に端面に直径１０ｍｍで厚さが１ｍｍの圧電素子３をエポキシ樹脂７で接合し、上と同様のことをして受信波形を観察したが、ほとんど受信波形を確認できなかった。

さらに比較のためにアクリル棒１０ｍｍφ長さ４０ｍｍの片方に端面に直径１０ｍｍで厚さが１ｍｍの圧電素子３をエポキシ樹脂７で接合し、上と同様のことをして受信波形を観察したが、ほとんど受信波形を確認できなかった。

したがって、炭素繊維複合材料２の長さが４０ｍｍの受信波形は、従来の材料に比較して受信波形の立ち上がりが良くなっていること、そして受信感度が高くなっていることから超音波振動体としての作用がある。

炭素繊維複合材料２の形状の作用を考えない１０ｍｍ以下の長さで、炭素繊維複合材料２内の炭素繊維の効果により立ち上がり特性を改善できたことを確認した。その長さは０．４２ｍｍであったが、０．２１ｍｍでは十分に確認できなかった。したがって形状の作用を考えない１０ｍｍ以下の厚さで０．２ｍｍより大きい長さが必要であることが明らかになった。

炭素繊維複合材料２の形状の作用を利用できると考える１０ｍｍ以上の厚さで、炭素繊維複合材料２内の炭素繊維の効果により立ち上がり特性を改善できたこと、そして受信感度を高めることができることを確認した。その長さは４０ｍｍであった。上限は実際に使用するときの問題である。

ここで炭素繊維複合材料２中の炭素繊維の配向方向は、超音波伝搬方向と同じであることが望ましいが、望ましい方向に対して５度以内なら誤差として許容されると考えられる。

また図１２に示すように炭素繊維複合材料２の中心軸が直線状でなくても炭素繊維複合材料２の伝搬方向に図中の矢印で示すように繊維を配向させれば本発明の超音波振動体の効果が得られる。

引張り弾性率が１００Ｇｐａを超える高弾性繊維は、炭素繊維だけではなく例えばＳｉＣ繊維、アルミナ繊維、パラ系アラミド繊維、ＰＢＯ繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維などある。したがって炭素繊維以外の複合材料も使用できる。

上記では圧電素子として圧電セラミックを用いたが、ニオブ酸リチウムなどのような圧電単結晶、ＰＶＤＦのような有機圧電材料、圧電セラミックとプラスチックの複合圧電材料も使用できる。

また図１３に示すように炭素繊維複合材料が傾斜していても図中の矢印で示すように繊維を配向させれば本発明の超音波振動体の効果が得られる。

また図５、図６に示した構成は、超音波レベル計として使用できる。

また図１０に示した構成は、超音波流量計として使用できる。

以上述べたように本発明の超音波振動体を用いることで、トリガ法を用いて超音波の伝搬時間を高精度に測定できる。そして超音波の伝搬時間を測定する測定装置である超音波流量計、超音波レベル計、超音波濃度計などに好適に用いることができる。

１ 超音波振動体
２ 炭素繊維複合材料
３ 圧電素子
４ 炭素繊維
５ 受信波形
６ ステンレス容器
７ エポキシ樹脂
８ ＰＦＡ容器
９ 純水
１０ 繊維の配向方向

Claims (6)

1. 樹脂もしくは樹脂の炭素化物からなる母材中に引張り弾性率が１００ＧＰａ以上の複数の高弾性繊維がそれぞれ同一方向に配向し、その高弾性繊維の配向方向が圧電素子との接合面に垂直である繊維複合材料と圧電素子を接合してなる超音波振動体。
2. 円柱状の繊維複合材料が柱方向に繊維が配向しており、柱方向の長さが直径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動体。
3. 多角形柱状の繊維複合材料が柱方向に繊維が配向しており、柱方向の長さが多角形の辺の長さより大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動体。
4. 円柱状の繊維複合材料が柱方向に繊維が配向しており、柱方向の長さが直径以下で０．２ｍｍより長いことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動体。
5. 多角形柱状の繊維複合材料が柱方向に繊維が配向しており、柱方向の長さが多角形の辺の長さ以下であり、０．２ｍｍより長いことを特徴とする請求項１、請求項２に記載の超音波振動体。
6. 高弾性繊維が炭素繊維もしくは炭素含有繊維であることを特徴とする請求碩１に記載の超音波振動体。

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