JP3219041U - Acoustic impedance matching layer - Google Patents
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
【課題】本考案は、音響インピーダンス整合層を提供する。【解決手段】音響インピーダンス整合層１０７は、その音響インピーダンスが２ＭＲａｙ１（１０６ｋｇ／ｍ2・ｓｅｃ）よりも小さく、また、音響インピーダンス整合層１０７は、熱硬化性高分子樹脂１０８と、熱硬化性高分子樹脂１０８に分散している中空球体粒子１０９と、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ（ワット／メートル・ケルビン）よりも大きく、且つ熱硬化性高分子樹脂１０８に分散している無機材質固体粒子１１０と、を含む。無機材質固体粒子１１０の平均粒径は、中空球体粒子１０９の平均粒径の５％〜５０％の間にある。【選択図】図２The present invention provides an acoustic impedance matching layer. An acoustic impedance matching layer has an acoustic impedance smaller than 2 MRay1 (106 kg / m 2 · sec), and the acoustic impedance matching layer includes a thermosetting polymer resin and a thermosetting polymer. Hollow sphere particles 109 dispersed in the resin 108, and inorganic material solid particles 110 having a thermal conductivity higher than 30 W / mK (watt / meter · Kelvin) and dispersed in the thermosetting polymer resin 108; ,including. The average particle size of the inorganic material solid particles 110 is between 5% and 50% of the average particle size of the hollow sphere particles 109. [Selection] Figure 2
Description
本考案は、一般的に音響インピーダンス整合層(acoustic impedance matching layer)に関し、より具体的には、高分子樹脂に分散している中空（hollow）球体粒子及び固体（solid）無機材質粒子を有する音響インピーダンス整合層に関する。 The present invention relates generally to an acoustic impedance matching layer, and more specifically, an acoustic having hollow sphere particles and solid inorganic material particles dispersed in a polymer resin. The present invention relates to an impedance matching layer.
超音波トランスデューサ(Ultrasonic transducer)が短距離の物体検出に用いられており、それは、超音波を発してから、超音波が物体に接触した後に反射されて超音波トランスデューサに戻って来たまでの時間により、超音波トランスデューサと検出待ち物体との間の距離を計算することができる。超音波による検出について言えば、検出待ち物体の種類や性質があまり制限されず、各種の表面色、透明度、硬度を有する固体、液体、粉体などは、すべて、超音波トランスデューサにより検出することができる。よって、今のところ、超音波トランスデューサは、パーキングセンサー(parking sensor)、レベルセンサー(level sensor)、マルチシート検知(multiple sheet detection)、流量計(flowmeter)などの分野において幅広く応用されている。 Ultrasonic transducers are used for short-range object detection, which is the time from when an ultrasonic wave is emitted until the ultrasonic wave is reflected after returning to the ultrasonic transducer after contacting the object. Thus, the distance between the ultrasonic transducer and the object waiting for detection can be calculated. Speaking of detection by ultrasonic waves, the types and properties of objects waiting to be detected are not so limited, and solids, liquids, and powders with various surface colors, transparency, and hardness can all be detected by ultrasonic transducers. it can. Therefore, at present, ultrasonic transducers are widely applied in fields such as parking sensors, level sensors, multiple sheet detection, and flowmeters.
超音波トランスデューサの主な構成素子は、圧電セラミックス(piezoceramics)片、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(lead zirconate titanate、PZT)材料により製作されたセラミックス片であり、その両面には、導電層が塗布される。稼働中に、高周波数交流信号を印加することで、圧電セラミックスに高周波数振動を生成させ、該高周波数振動は、一種の音波であり、この音波の周波数が超音波の範囲にあれば、超音波振動である。しかし、生成させた超音波が圧電セラミックスから空気に伝播し得るようにさせるために、圧電セラミックスの音響インピーダンス(acoustic impedance)は、空気の音響インピーダンスに整合しなければならない。 The main components of ultrasonic transducers are piezoceramics pieces, for example, ceramic pieces made of lead zirconate titanate (PZT) material, on both sides of which a conductive layer is applied. Is done. During operation, a high frequency alternating current signal is applied to cause the piezoelectric ceramic to generate high frequency vibration, which is a kind of sound wave, and if the frequency of this sound wave is in the ultrasonic range, It is sonic vibration. However, in order to allow the generated ultrasonic waves to propagate from the piezoelectric ceramic to the air, the acoustic impedance of the piezoelectric ceramic must match the acoustic impedance of the air.
音響インピーダンス(Z)は、Z＝材料密度(ρ)*超音波音速(C)であり、圧電セラミックスの音響インピーダンスは、約30〜35MRayl（106kg/m2・sec）であり、空気の音響インピーダンスは、約430Rayl（kg/m2・sec）であり、圧電セラミックスの音響インピーダンスと空気の音響インピーダンスに非常に大きな差があり、そのため、圧電セラミックスにより生成された超音波エネルギーは、空気に伝播することができない。よって、音響インピーダンス整合層(matching layer)が超音波トランスデューサ中の必要な部品になり、それは、圧電セラミックスと空気との間に設置され、両者の音響インピーダンスを整合させることで、超音波を空気に有効に伝播させることができる。空気トランスデューサ(air transducer)のための整合層の音響インピーダンスは、最も理想的な値が(35M*430)1/2Raylで、約0.12MRaylであるが、自然界では、音響インピーダンスが1MRaylよりも小さく、且つ丈夫な材料があまりないため、一般的には、当業界で良く用いられる整合層の材料は、高分子樹脂と中空ガラス球とが混合した複合材料であり、これにより、低い音響インピーダンスの特性を達成することができると共に、良い耐候性及び高い信頼性も有する。超音波トランスデューサの各種の異なる分野における応用に対応するために、今のとこと、当業界では、依然として、音響インピーダンス整合層をさらに開発及び改良することにより、その各種の使用環境下での耐候性及び信頼性を向上させる必要がある。 The acoustic impedance (Z) is Z = material density (ρ) * ultrasonic speed of sound (C). The acoustic impedance of piezoelectric ceramics is about 30 to 35 MRayl (10 6 kg / m 2 · sec). The acoustic impedance is about 430 Rayl (kg / m 2 · sec), and there is a very large difference between the acoustic impedance of piezoelectric ceramics and the acoustic impedance of air. Therefore, the ultrasonic energy generated by piezoelectric ceramics is in the air. Cannot propagate. Therefore, an acoustic impedance matching layer becomes a necessary part in the ultrasonic transducer, which is placed between the piezoelectric ceramic and the air, and by matching the acoustic impedance of both, the ultrasonic wave is converted into the air. It can be propagated effectively. The acoustic impedance of the matching layer for air transducers is about 0.12 MRayl, the most ideal value is (35M * 430) 1/2 Rayl, but in nature the acoustic impedance is less than 1 MRayl In general, the matching layer material often used in the industry is a composite material in which a polymer resin and a hollow glass sphere are mixed, and thus has a low acoustic impedance. The properties can be achieved and also have good weather resistance and high reliability. To accommodate the application of ultrasonic transducers in a variety of different fields, the industry still continues to develop and improve acoustic impedance matching layers to provide weather resistance in various environments. And it is necessary to improve reliability.
本考案の目的は、音響インピーダンス整合層を提供することにあり、その中には、高熱伝導率の無機材質固体粒子があり、これにより、既存の音響インピーダンス整合に影響を与えることなく、音響インピーダンス整合層の熱伝導性を改善し、耐候性及び信頼性を向上させることができる。 It is an object of the present invention to provide an acoustic impedance matching layer, among which is inorganic solid particles with high thermal conductivity, so that the acoustic impedance is not affected without affecting the existing acoustic impedance matching. The thermal conductivity of the matching layer can be improved and the weather resistance and reliability can be improved.
本考案の一側面によれば、音響インピーダンス整合層が提供され、その音響インピーダンスが2MRaylより小さく、該音響インピーダンス整合層は、熱硬化性高分子樹脂と、該熱硬化性高分子樹脂に分散している中空球体粒子と、該熱硬化性高分子樹脂に分散しており、且つ熱伝導率が30W/mK（ワット/メートル・ケルビン）よりも大きい無機材質固体粒子と、を含み、そのうち、該無機材質固体粒子の平均粒径は、該中空球体粒子の平均粒径の5%〜50%の間にある。 According to one aspect of the present invention, an acoustic impedance matching layer is provided, and the acoustic impedance is less than 2 MRayl, and the acoustic impedance matching layer is dispersed in the thermosetting polymer resin and the thermosetting polymer resin. Hollow sphere particles and inorganic solid particles dispersed in the thermosetting polymer resin and having a thermal conductivity greater than 30 W / mK (watts / meter · Kelvin), The average particle size of the inorganic material solid particles is between 5% and 50% of the average particle size of the hollow sphere particles.
本考案の上述の特徴及び利点をより明らかにするために、以下、実施例を挙げて添付した図面を参照することにより、詳細に説明する。 In order to make the above features and advantages of the present invention more apparent, the embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
以下、添付した図面を参照しながら、本考案を実施するための好適な形態を詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
まず、図１を参照する。図１は、本考案の実施例における超音波トランスデューサ100の断面図である。本実施例では、超音波トランスデューサ100は、外殻（shell）101を含み、外殻101は、例えば、円管形のプラスチック又は金属制外殻であり、その内部には、端子板102が設置され、端子板102は、嵌め込み方式で又は接着材で外殻101の内壁に固定することができる。端子板102には、２つのピン103があり、例えば、錫めっき黄銅ピンであり、それらは、外部の交流電源に接続することができる。圧電セラミックス104が外殻101の他の端に設置され、圧電セラミックス104と端子板102との間には、ゴムパッド（rubber pad）105が、該圧電セラミックス104を固定して支持するために設置される。２つのリード線（導線）106、例えば、フレキシブル印刷回路導線が、それぞれ、端子板102における２つのピン103及び圧電セラミックス104の上下表面における導電層に接続され、２つのリード線106は、ピン103からの高周波数交流信号を圧電セラミックス104に伝送して高周波数振動を生成させることで、超音波を発させることができる。また、圧電セラミックス104の外側には、音響インピーダンス整合層107が設置され、音響インピーダンス整合層107は、圧電セラミックス104に接着し、また、外殻101の内壁に固定する。
First, refer to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of an
本考案の実施例では、圧電セラミックス104的材料は、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(ZrTi)O3)、チタン酸鉛(PbTiO3)などの鉛を含む圧電材料、或いは、チタン酸バリウム(BaTiO3)、ニオブ酸ナトリウムカリウム((NaK)NbO3)などの鉛を含まない圧電材料であっても良く、その音響インピーダンスは、約30〜35MRaylであり、空気の音響インピーダンス430Raylよりも遥かに大きい。よって、音響インピーダンス整合層107により、両者の音響インピーダンスを整合させる必要がある。
In the embodiment of the present invention, the piezoelectric ceramic 104 material is a piezoelectric material containing lead such as lead zirconate titanate (Pb (ZrTi) O 3 ), lead titanate (PbTiO 3 ), or barium titanate (BaTiO 3 ) Lead-free piezoelectric material such as sodium potassium niobate ((NaK) NbO 3 ) may be used, and its acoustic impedance is about 30-35MRayl, much higher than the acoustic impedance of air 430Rayl . Therefore, it is necessary to match the acoustic impedances of the two by the acoustic impedance matching
図２を参照する。図２は、本考案の実施例における超音波トランスデューサ100の音響インピーダンス整合層107の構造の拡大図である。本考案の音響インピーダンス整合層107は、熱硬化性高分子樹脂108、中空球体粒子109、及び高熱伝導率の無機材質固体粒子110からなる複合材料である。図２に示すように、中空球体粒子109は、充填物として、熱硬化性高分子樹脂108に均一に分散しており、これにより、音響インピーダンス整合層107全体の密度を下げることができ、その材料は、中空ガラス球、中空セラミックス球、中空プラスチック球などの低密度中空球体粒子であっても良く、その密度は、0.1g/cm3〜0.6g/cm3の間にある。音響インピーダンスが材料の密度に比例するために、音響インピーダンス整合層107の密度が低いほど、得られた音響インピーダンスが低く、音響インピーダンス整合の効果を達成することができる。熱硬化性高分子樹脂108の材料は、エポキシ(epoxy)、フェノール樹脂(phenolic resin)、ビニルエステル樹脂(vinyl ester resin)、ポリウレタン(polyurethane)及びシアネートエステル樹脂(cyanate ester resin)などであっても良く、音響インピーダンス整合層107の基材とされる。熱硬化性高分子樹脂108に異なる体積比の中空球体粒子109を添加し、混合、脱泡及び固化などの処理を行うことで、異なる密度の音響インピーダンス整合層107を調製することができる。
Please refer to FIG. FIG. 2 is an enlarged view of the structure of the acoustic impedance matching
図３を参照する。図３は、本考案の実施例において、音響インピーダンス整合層107における中空球体粒子109の体積比が音響インピーダンス整合層107の密度に与える影響を示す図である。図から分かるように、音響インピーダンス整合層107における中空球体粒子109の体積比が大きいほど、音響インピーダンス整合層107全体の密度が小さく、得られた音響インピーダンスが小さいが、構造が脆弱になる。本実施例では、中空球体粒子109の体積比は、40%〜70%の間にあるように制御され、これにより、整合層の密度及び構造の信頼性を両立することができる。このような体積比により、音響インピーダンス整合層107の密度は0.4〜0.6g/cm3の間にあり、音速は約2000〜2400m/secであり、得られた音響インピーダンスは0.8〜1.4MRaylの間にあり、これは、当業界に要求される、超音波が圧電セラミックス片から空気に進入する水準を既に達成している。
Please refer to FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating the influence of the volume ratio of the
再び図２を参照する。本考案のもう１つの重要な点は、中空球体粒子109の他に、熱硬化性高分子樹脂108に高熱伝導率の材料をさらに添加して放熱を助けることにより、音響インピーダンス整合層107の熱伝導率及び長時間使用の信頼性を向上させることにある。本実施例では、熱伝導率が30W/mK（ワット/メートル・ケルビン）よりも大きい無機材質固体粒子110を使用し、それは、熱硬化性高分子樹脂108に均一に分散している。なお、本実施例では、中空球体粒子109の平均粒径は、20μm〜80μm（マイクロメートル）の間にあり、無機材質固体粒子110の平均粒径は、中空球体粒子109の平均粒径の5%〜50%の間にある。中空球体粒子109の平均粒径が60μmであるケースを例とすると、無機材質固体粒子110の平均粒径は、3μm〜30μmの間にあっても良い。無機材質固体粒子110の材料は、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンド、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、銅、鉄、アルミニウム、ステンレス鋼、マグネシウム、ニッケル、シリコンなどの材料を含んでも良い。グラファイトを用いて無機材質固体粒子110を製作するケースを例とすると、グラファイト粒子の熱伝導率は168W/mKであり、中空ガラス球109の熱伝導率は0.044W/mKであり、エポキシの熱伝導率は0.35W/mKである。よって、無機材質固体粒子110の添加により、音響インピーダンス整合層107の放熱能力及び信頼性を大幅に向上させることができる。
Refer to FIG. 2 again. Another important point of the present invention is that, in addition to the
上述の成分組成により製作された本考案の音響インピーダンス整合層107は、音響インピーダンスが2MRaylよりも小さく、また、その中に添加された高熱伝導率の無機材質固体粒子により、既存の音響インピーダンス整合に影響を与えることなく、音響インピーダンス整合層の熱伝導性を改善し、音響インピーダンス整合層の耐候性及び信頼性を向上させることができる。よって、本考案は、新規性及び実用性を兼備する新たな考案である。
The acoustic
以上、本考案の好ましい実施形態を説明したが、本考案はこの実施形態に限定されず、本考案の趣旨を離脱しない限り、本考案に対するあらゆる変更は本考案の技術的範囲に属する。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this embodiment, and unless it leaves | separates the meaning of this invention, all the changes with respect to this invention belong to the technical scope of this invention.
100 超音波トランスデューサ
101 外殻
102 端子板
103 ピン
104 圧電セラミックス片
105 ゴムパッド
106 導線
107 音響インピーダンス整合層
108 熱硬化性高分子樹脂
109 中空球体粒子
110 無機材質固体粒子
100 ultrasonic transducer
101 outer shell
102 Terminal board
103 pin
104 Piezoelectric ceramic pieces
105 Rubber pad
106 conductor
107 Acoustic impedance matching layer
108 Thermosetting polymer resin
109 Hollow sphere particles
110 Inorganic solid particles
Claims (7)
熱硬化性高分子樹脂と、
前記熱硬化性高分子樹脂に分散している中空球体粒子と、
熱伝導率が30W/mK（ワット/メートル・ケルビン）よりも大きく、且つ前記熱硬化性高分子樹脂に分散している無機材質固体粒子と、を含み、
前記無機材質固体粒子の平均粒径は、前記中空球体粒子の平均粒径の5%〜50%の間にある、音響インピーダンス整合層。 An acoustic impedance matching layer having an acoustic impedance smaller than 2 MRayl (10 6 kg / m 2 · sec),
A thermosetting polymer resin;
Hollow sphere particles dispersed in the thermosetting polymer resin;
Inorganic material solid particles having a thermal conductivity greater than 30 W / mK (Watt / meterKelvin) and dispersed in the thermosetting polymer resin,
The acoustic impedance matching layer, wherein an average particle diameter of the inorganic material solid particles is between 5% and 50% of an average particle diameter of the hollow sphere particles.
前記熱硬化性高分子樹脂の材料は、エポキシ(epoxy)、フェノール樹脂(phenolic resin)、ビニルエステル樹脂(vinyl ester resin)、ポリウレタン(polyurethane)、又は、シアネートエステル樹脂(cyanate ester resin)を含む、音響インピーダンス整合層。 The acoustic impedance matching layer according to claim 1,
The material of the thermosetting polymer resin includes epoxy, phenolic resin, vinyl ester resin, polyurethane, or cyanate ester resin, Acoustic impedance matching layer.
前記中空球体粒子は、無機材料又は有機材料により製作された中空球体であり、中空ガラス球、中空セラミックス球、又は、中空プラスチック球を含む、音響インピーダンス整合層。 The acoustic impedance matching layer according to claim 1,
The hollow sphere particles are hollow spheres made of an inorganic material or an organic material, and include an acoustic impedance matching layer including a hollow glass sphere, a hollow ceramic sphere, or a hollow plastic sphere.
前記中空球体粒子の密度は、前記音響インピーダンス整合層整体の密度を下げるために、0.1g/cm3〜0.6g/cm3である、音響インピーダンス整合層。 The acoustic impedance matching layer according to claim 1,
The density of the hollow spherical particles, in order to reduce the density of the acoustic impedance matching layer manipulative is 0.1g / cm 3 ~0.6g / cm 3 , an acoustic impedance matching layer.
前記無機材質固体粒子の材料は、グラファイトである、音響インピーダンス整合層。 The acoustic impedance matching layer according to claim 1,
An acoustic impedance matching layer, wherein the material of the inorganic solid particles is graphite.
前記無機材質固体粒子の材料は、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、銅、鉄、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、シリコン、又は、ステンレス鋼を含む、音響インピーダンス整合層。 The acoustic impedance matching layer according to claim 1,
The material of the inorganic material solid particles is an acoustic impedance matching layer including diamond, diamond-like carbon, silicon carbide, aluminum nitride, copper, iron, aluminum, magnesium, nickel, silicon, or stainless steel.
前記中空球体粒子の平均粒径は、20μm〜80μmの間にある、音響インピーダンス整合層。 The acoustic impedance matching layer according to claim 1,
The acoustic impedance matching layer, wherein the hollow sphere particles have an average particle diameter of 20 μm to 80 μm.
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