JP4140359B2 - 超音波振動子用整合部材およびそれを用いた超音波センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用して気体や液体の流量測定、流速測定する超音波流量計に用いる超音波振動子用整合部材とそれを用いた超音波センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の整合部材の製造方法としては、図７に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これは、（ａ）に示すように、中空球体２６と樹脂２７の混合物からなる整合部材と、筒状部材２８からなる負荷ケースが一体成形され、その後、（ｂ）のように、圧電部材の共振周波数の１／４波長に相当する厚みにカットして整合層２９を得る。このようにして作成した整合層２９を用いて、（ｃ）に示すように、整合層２９を圧電振動子３０に載置して、超音波振動子を形成している。
【０００４】
また、ガラスバルーンと樹脂の混合体による整合層も知られている（例えば、特許文献２参照）。これは、圧電体からの発生する超音波の波長よりも小さい粒径の気泡を樹脂に混入して整合部材を構成するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特公平６−１０１８８０号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１１−２１５５９４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の製造方法による整合層２９は、筒状部材２８への中空球体２６の投入時に、中空球体２６の外壁面同士が接触して摩擦が発生するため、中空球体２６同士が凝集してしまい、中空球体２６が均一に分散されて存在されないという課題があった。これは、中空球体２６がガラス組成である場合、中空球体同士の摩擦係数が高いために、所定量の中空球体を投入できないという課題も有していた。そのため、所定の厚みにカットした整合層２９群はそれぞれ１枚ごと中空球体２６と樹脂２７の比率が異なり、密度が不均一な整合層が作成されてしまうものであった。
【０００８】
また、超音波の波長よりも小さい粒径の気泡を樹脂に混入するものでは、その作業が非常に困難であり、混入する気泡の大きさを制御することができない。また樹脂中に気泡を混入することで作成された整合層の密度は、作成数ごとに異なり、一定の音響インピーダンスを得ることができない。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、密度のばらつきを低減した整合部材とその製造方法およびそれを用いた超音波センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の超音波振動子用整合部材は、ガラス組成を含む中空球体と、これを包囲するエポキシ等の樹脂からなる結合材料とを混合した後に、整合部材作成治具内で加熱硬化して得られ、中空球体には、混合時の凝集を防止するために、カップリング材を含む表面改質材からなる被覆層を外部表面に予め形成したものである。
【００１１】
これにより、中空球体の流動性が増し、中空球体同士の摩擦を低減するので、整合部材中に均一に中空球体を配設することがでる。
【００１２】
また、中空球体を加振振動しながら整合部材作成治具内に配置することにより、中空球体間に最小の空隙層が存在するように充填される。
【００１３】
そして、この整合部材を用いた超音波センサは、特性のバラツキのないものとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、ガラス組成を含む中空球体と、前記中空球体を包囲するエポキシ等の樹脂からなる結合材料とを混合した後に、整合部材作成治具内で加熱硬化して得られ、
前記中空球体には、前記混合時の凝集を防止するために、カップリング材を含む表面改質材からなる被覆層を外部表面に予め形成したものであり、中空球体の流動性が増し、中空球体同士の摩擦を低減するので、整合部材中に均一に中空球体を配設することがでる。
【００１５】
また、表面改質材は、クロム系、シラン系、チタネート系並びにリン酸系の化合物群より選ばれる少なくとも１種以上の高分子化合物である請求項１〜３のいずれか１項に記載の整合部材とすることにより、中空球体と結合材料のような無機物と有機樹脂を結合させることができ、材料の物理強度や接着性を向上させることができる。
【００１６】
また、表面改質材による被覆層を形成した中空球体は、中空球体の表面に付着する水分を除去した後に結合材料とを混合したことにより、整合部材作成治具内に中空球体が水分により凝集することなく投入することができる。また、中空球体に付着した水分による結合材料の変質を防止することができる。
【００１７】
また、結合材料は熱硬化性樹脂化合物である整合部材とすることにより、表面改質材を介して中空球体表面と化学結合し、中空球体と結合材料の親和性をより向上させることができる。
【００１８】
また、外部表面に表面改質材による被覆層を形成した中空球体と、この中空球体を包囲する結合材料からなり、前記中空球体は、加振振動されながら整合部材作成治具内に配置する整合部材の製造方法とすることにより、流動性が高い中空球体は振動により中空球体間同士の空隙を埋めながら充填され、中空球体間に最小の空隙層が存在するように充填されることになる。
【００１９】
また、天部と側壁部を有する筒状ケースと、天部の内壁面に固定された圧電体と、天部の外壁面に接着層を介して設置された整合部材とを有する超音波センサとすることにより、密度一定で密度ばらつきの少ない整合層を作成することができ、ケースを介した圧電体からの振動を整合層が効率よく気体中に音波として伝搬させ、個々のセンサ間の特性ばらつきがない超音波センサを提供できる。
【００２０】
【実施例】
以下、本説明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における整合部材の製造工程を示したものである。
【００２２】
図において、１は整合層作成治具、２は整合層作成治具１に設けられた貫通孔である。整合部材作成治具１の貫通孔２内に、中空球体とこれを包囲する結合材料の混合体を作成して、整合部材を作成するものである。３は中空構造を有するガラス製の中空球体である。中空球体３は、それぞれ１０〜１００μｍの粒径を有し、平均粒径は約６０μｍである。中空球体３は他の充填剤と比較して、比重が軽く、耐熱性、耐圧性、耐衝撃性を有し、充填材として使用したときの充填物の寸法安定性、成型性などの物性を改良できる。使用したガラスの組成は、ホウケイ酸系ガラスである。この中空球体３は、酸化珪素、硼酸、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム等の原料を１０００℃以上の高温で溶融して硫黄分を多含するガラスを形成させた後、ガラスを粉砕し、その後、このガラス微粉末を火炎中に分散、滞留させることにより、硫黄分を発泡剤成分として発泡させて作成している。
【００２３】
この中空球体３の表面には、表面改質材として、カップリング材を化学結合させて、カップリング材の被覆層を形成する。カップリング材は、一端に加水分解しやすい基を持ち、他端に樹脂と反応しやすい官能基を有する構造になっている。ここでは、表面改質材にクロム系カップリング材であるクロム・アクアクロロヒドロキシメタクリル酸錯化合物を用いた。
【００２４】
このカップリング材の中空球体３表面および樹脂の接着機構を図２に示す。図に示すように、このカップリング材が加水分解したのち、ガラス表面のシラノール基（Ｓｉ―ＯＨ）と化学結合する。中空球体３の流動性や、樹脂との親和力が維持できるのであれば、この系以外のシラン系、チタネート系、リン酸系の化合物群より選ばれる少なくとも１種以上の高分子化合物でも差し支えない。表面改質材の被覆層は数Åである。
【００２５】
中空球体３は、比重約０．１６ｇ／ｃｃである。使用する前に中空球体３は、ガラスデシケータ内に設置し、そのデシケータごと熱風乾燥循環炉内に設置し、１００℃で１２時間乾燥させた後のサンプルを使用する。中空球体３のガラス表面に付着する水分を完全に除去するためである。中空球体３表面に水分が残留していると、後に中空球体３と結合材料を硬化反応させるとき、水分が結合材料と中空球体３の化学結合による結合を妨害し、中空球体３と結合材料間に微小空隙層を形成してしまい、整合部材の機械強度を低下させることがある。中空球体３表面は乾燥後でも、安定して表面改質材の被覆層形成が保持されている。
【００２６】
図１の製造工程に示すように、整合層作成治具１の貫通孔２内に、乾燥後の中空球体３を投入する。このとき図３に示すように、整合層作成治具１を加振装置１１に設置した上で、整合層作成治具１全体を振動させながら中空球体３を投入する。加振装置１１は縦振動で、周波数６０Ｈｚで、４Ｇである。この作業工程の整合層作成治具１を加振させることにより、整合層作成治具１の貫通孔２内に投入される中空球体３間の空隙を埋めるような状態で貫通孔２内に収まっていく。これは、中空球体３の外部壁面が表面改質材の被覆層を形成しているので、中空球体３の流動性が高いために、中空球体３間の壁面が接触しても滞留することなく、中空球体３が動いて貫通孔２内で最密充填状態になるためである。そのため、中空球体３同志間では、最小の空隙しか存在していない。
【００２７】
このように中空球体３を充填した整合層治具１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、貫通孔２上下にフィルター４を設置した後、整合部材作成治具１上に貫通孔２内に結合材料を含浸させる。ここで、結合材料として熱硬化性樹脂化合物であるエポキシ樹脂を用いた。硬化後の樹脂の形状変化が小さく、長期安定性に優れているためであり、何より、中空球体３表面に形成された表面改質材としてのカップリング材と親和性が高いため、中空球体３と結合力が安定的に向上する。使用したエポキシ樹脂は、２液硬化型のエポキシ樹脂である。主剤はビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂であり、硬化剤は、テトラヒドロメチル無水フタル酸である。主剤と硬化剤を最適混合比率で混合してエポキシ樹脂として用いた。特に２液硬化型のエポキシ樹脂にこだわるものではなく、目的が達せられれば１液硬化型のエポキシ樹脂を用いても差し支えない。
【００２８】
次に、図１（ｃ）に示すように、エポキシ樹脂７を含浸させるためにエポキシ樹脂７を吸引するための吸引装置５を設けた吸引ブロック９を設置する。貫通孔２に中空球体３を満たした整合部材作成治具１をエポキシ樹脂７で満たした容器６内に設置する。貫通孔２の下側に設置するフィルター４は貫通孔２内の中空球体３が漏れないためである。貫通孔２の上側に設けるフィルター４は、エポキシ樹脂７を吸引したとき、貫通孔２内の中空球体３をエポキシ樹脂７と一緒に吸引しないためである。ここでは、フィルター４にろ紙を用いた。なお、先に述べたフィルター４の目的を達成すれば材質にはこだわらない。
【００２９】
そして、吸引ブロック９の吸引口８から真空ポンプ１０により容器６内のエポキシ樹脂７を吸引し、整合部材作成治具１内の中空球体３で満たされた貫通孔２にエポキシ樹脂７を含浸させる。真空ポンプ１０による整合層作成治具１内を低圧雰囲気下にすることにより、中空球体３間に存在した空隙の気泡が抜け去り代わってエポキシ樹脂７がその間を埋めていく。さらに、中空球体３には、カップリング材の被覆層が形成されているため、エポキシ樹脂７とのぬれ性が良く、中空球体３間の空隙に一様に含浸される。これにより、貫通孔２内の中空球体３同志の密着性が向上し、中空球体３周囲にエポキシ樹脂が塗布される。なお、エポキシ樹脂７を吸引するときには、エポキシ樹脂７が硬化しない温度で、且つエポキシ樹脂７の粘度が低くなる温度で吸引する方が、樹脂の流動性が高くなるので貫通孔２内にエポキシ樹脂が含浸しやすくなる。使用したエポキシ樹脂７の硬化条件は８０℃×２ｈ後、１５０℃×２ｈであるので、エポキシ樹脂７のゲル化温度より低い約６０℃中で吸引した。このように中空球体３が充填された貫通孔２内にエポキシ樹脂７を含浸させた後、吸引ブロック９を整合部材作成治具１から取り外す。
【００３０】
そして、図１（ｄ）に示すように、整合部材作成治具１から、貫通孔２内に存在する中空球体３とエポキシ樹脂７の混合体８を棒状治具により押し出す。取り出した混合体８を加熱硬化させ（ｅ）、室温に冷却して作成して、整合部材１２を得る。この整合部材１２をそのまま必要厚みに切削加工して、整合層１３を得る（ｆ）。
【００３１】
また、整合層作成工程においては、図４に示すように，エポキシ樹脂吸引用ブロック１４と，エポキシ樹脂硬化用ブロック１５に分けて整合部材１２を作成しても差し支えない。この場合、貫通孔２内で中空球体３とエポキシ樹脂７を混合して、エポキシ樹脂硬化用ブロック１５ごと硬化後、貫通孔から整合部材１２を取りで出すことも可能である。
【００３２】
整合部材中の密度均一性を調べるために、下記の実験を行った。外壁表面に先に述べた表面改質材の被覆層を形成した中空球体３を１００℃で１２ｈ乾燥した中空球体Ａと、同被覆層を形成した中空球体３を１週間室温中（約２５℃、湿度４０〜４５％ＲＨ）に放置した中空球体Ｂと、同被覆層を形成した中空球体３を４０℃、９０％ＲＨの恒温高湿炉内に放置した中空球体Ｃと、被覆層を形成していない中空球体Ｄとを用い、それぞれ先に示した整合部材の作成方法で整合部材１２を作成し、図５（ａ）に示すように、１本の整合部材１２から厚み１．１６±０．０１の整合層１３を取り出して、各々の密度を求めた。
【００３３】
この結果を図５（ｂ）に示す。１本の整合部材１２から２０枚の整合層１３を取り出した。
【００３４】
グラフの横軸は、エポキシ樹脂の吸引方向を上側にして、整合部材１２の上から順に整合層１３を取り出した位置Ｎｏである。図５のグラフより、中空球体Ａで作成した整合層は、平均密度０．５１７（ｇ／ｃｍ３）であり、３σは０．０１３であり、中空球体Ｂで作成した整合層は、平均密度０．５４１（ｇ／ｃｍ３）であり、３σは０．０２６であり、中空球体Ｃで作成した整合層は、平均密度０．５８２（ｇ／ｃｍ３）であり、３σは０．０２２であり、中空球体Ｄで作成した整合層は、平均密度０．５６０（ｇ／ｃｍ３）であり、３σは０．０２８であった。また、作成した整合層１３を０．０３ｍｍ／ＳＥＣの荷重速度で圧縮した荷重テストからヤング率（Ｎ／ｃｍ２）を計算した。その結果を（表１）に示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
この（表１）の結果から、中空球体Ａで作成した整合層のヤング率を基準で比較すると、中空球体Ｂで作成した整合層のヤング率は約２．５％低下、中空球体Ｃで作成した整合層のヤング率は約２７％低下、中空球体Ｄで作成した整合層のヤング率は約１０％低下となった。
【００３７】
以上の結果は、外壁表面に表面改質材の被覆層を形成した中空球体を１週間室温中に放置した中空球体Ｂは、中空球体Ａの場合と比較して室温中に１週間放置したため、中空球体に微量水分が付着し整合層作成治具１の貫通孔２内で凝集し、整合部材内でエポキシ樹脂部分と中空球体の配合比率が不均一になり、密度が上昇したと考えられる。外壁表面に表面改質材の被覆層を形成した中空球体を４０℃、９０％ＲＨの恒温高湿炉内に放置した中空球体Ｃで作成した整合層は、中空球体が凝集して配置されるため、中空球体Ａの場合と比較して密度は大幅に増加する。さらに、吸湿により中空球体に付着した水分が表面改質材とエポキシ樹脂との界面の化学結合を阻害し、親和性を低下させるため、ヤング率が大きく低下する。表面に何も被覆層を形成していない中空球体Ｄは、中空球体Ａの場合と比較して、中空球体の流動性が低いために貫通孔内の中空球体の分布が不均一で、密度のばらつきが大きくなった。さらに中空球体表面のエポキシ樹脂のぬれ性が低いために、ヤング率も中空球体Ａで作成した整合層と比較して少し低下している。
【００３８】
このことから、表面改質材の被覆層を形成した中空球体を最適条件で乾燥し、表面の水分を除去した中空球体で作成した整合層は、整合部材のどの部分をとっても密度が均一で、ばらつきを小さくすることができる。
【００３９】
（実施例２）
図６は、本発明の実施例２における超音波センサを示す。
【００４０】
図において、１６は超音波センサを示し、１７は天部と側壁部を有する筒状ケース、１８は筒状ケース１７の天部で、その外壁面に接着層を介して実施例１に記載の整合層１３が固定されている。１９は筒状ケース１７の天部１８の内壁面に固定された圧電体、２０は筒状ケース１７を固定するための支持部、２１は導電体、２２は支持部２０に固定された端子板、２３ａ、２３ｂは端子板２２に固定された端子、２４は端子２３ａと端子２３ｂを絶縁するための絶縁部、２５は圧電体１９に設けられた溝を示す。
【００４１】
端子２３ａと端子２３ｂから導電体２１を介して、圧電体１９に電圧が加わると、圧電体１９は圧電現象により振動する。圧電体１９は、約５００ＫＨｚで振動し、その振動は筒状ケース１７に伝わり、整合層１３に伝わる。整合層１３の振動が気体に音波として伝搬する。ここで、整合層１３は、個々の整合層密度が均一であるために、整合層１３の音速と密度の積で表すことのできる音響インピーダンスが安定し、圧電体１９から整合層１３を介して均一、安定的に空間中に超音波を発振させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の整合部材によれば、外部表面に表面改質材による被覆層を形成した中空球体と、この中空球体を包囲する結合材料とを有するものであるため、中空球体の流動性が増し、中空球体同士の摩擦を低減するので、整合部材中に均一に中空球体を配設することがでる。
【００４３】
また、中空球体を加振振動しながら整合部材作成治具内に配置することにより、中空球体間に最小の空隙層が存在するように充填される。
【００４４】
そして、この整合部材を用いた超音波センサは、特性のバラツキのないものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における整合部材の製造工程を示す概略図
【図２】 同整合部材における中空球体表面および樹脂の接着機構を示す概略図
【図３】 同整合部材における整合部材作成治具を示す斜視図
【図４】 （ａ）同整合部材における吸引用ブロックと硬化用ブロックの組合図
（ｂ）同硬化用ブロックを示す斜視図
【図５】 （ａ）同整合部材と整合層の関係を示す図
（ｂ）（ａ）における整合層の密度ばらつきを示すグラフ
【図６】 本発明の実施例２における超音波センサの断面図
【図７】 （ａ）従来の整合層と負荷ケースの一体成型を示す断面図
（ｂ）負荷ケースのカット後を示す断面図
（ｃ）従来の整合層と圧電素子を接着した状態を示す断面図
【符号の説明】
１ 整合部材作成治具
３ 中空球体
７ エポキシ樹脂
１１ 加振装置
１２ 整合部材
１３ 整合層
１６ 超音波センサ

Claims (7)

1. 圧電振動子に載置して超音波振動子を構成する整合部材であって、
   前記整合部材は、ガラス組成を含む中空球体と、前記中空球体を包囲するエポキシ等の樹脂からなる結合材料とを混合した後に、整合部材作成治具内で加熱硬化して得られ、
   前記中空球体には、前記混合時の凝集を防止するために、カップリング材を含む表面改質材からなる被覆層を外部表面に予め形成した、
   超音波振動子用整合部材。
2. 表面改質材は、クロム系、シラン系、チタネート系並びにリン酸系の化合物群より選ばれる少なくとも１種以上の高分子化合物である請求項１に記載の超音波振動子用整合部材。
3. カップリング材は、中空球体の外部表面に化学結合して被覆層を形成する請求項１または２に記載の超音波振動子用整合部材。
4. 中空球体の表面に付着する水分を除去した後に結合材料とを混合した
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波振動子用整合部材。
5. 結合材料は熱硬化性樹脂化合物である請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波振動子用整合部材。
6. 中空球体を加振振動させながら整合部材作成治具内に配置して製造した請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波振動子用整合部材。
7. 天部と側壁部を有する筒状ケースと、天部の内壁面に固定された圧電振動子と、天部の外壁面に接着層を介して設置した請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波振動子用整合部材を用いた超音波センサ。

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