JP4329490B2 - 音響整合層 - Google Patents
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Description
本発明は超音波センサ用の圧電体に設ける中空ガラスバルーン粒子を含む音響整合層およびそれを用いた超音波センサに関する。
一般に超音波センサにおいては、空気の音響インピーダンスとの音響整合を取るための音響整合層が圧電体の超音波放射面に設けられる。そして、音響整合層は中空ガラスバルーン粒子を混入、分散した樹脂を固めて形成することが知られている。
このような音響整合層の製造方法としては、硬化前の樹脂に中空ガラスバルーン粒子を混入して十分にかき混ぜ、それを成形型に入れて熱硬化させる方法がある。この方法は、例えば特許文献１などに開示されている。
なお、音響整合層としては望ましい音響インピーダンスというものが存在し、具体的には音響インピーダンスＸmatは約１．０×１０5ｋｇ／ｍ2ｓとなっているのが望ましい。
特開２００３−１４３６８５号公報
ところで、特許文献１に開示されているような従来の方法においては、硬化前の樹脂にあらかじめ中空ガラスバルーン粒子を混入し、攪拌して分散させておく必要がある。
しかしながら、樹脂に混入する中空ガラスバルーン粒子の量を増やすと樹脂全体の粘度が高くなり流動性が低下して攪拌そのものが困難になるという問題がある。そのため、樹脂に混入できる中空ガラスバルーン粒子の量には限界がある。
特許文献１の方法では、攪拌可能な限界まで中空ガラスバルーン粒子を混入した場合でも、比重が約０．５５、音速が約２２００ｍ／ｓ、音響インピーダンスが１．２×１０6ｋｇ／ｍ2ｓのものを作るので精一杯だった。そして、それでも音響インピーダンスの理想的値と比較すれば１桁以上大きく、理想にはほど遠いものであった。
本願発明は上記の問題点を解決することを目的とするもので、中空ガラスバルーン粒子の混入量をさらに増やしてより低い音響インピーダンスを持った音響整合層を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の音響整合層は、第１のフィラーとしての中空ガラスバルーン粒子と、該中空ガラスバルーン粒子よりも平均粒径の小さい第２のフィラーとを樹脂に混入・分散・硬化してなる音響整合層であって、
前記第２のフィラーの積算９０％粒径を前記第１のフィラーの積算１０％粒径の１／１０以下としたことを特徴とする。ここで、前記第２のフィラーは球形粒子であることが望ましい。また、前記第２のフィラーはカーボン粒子であることが望ましい。
前記第２のフィラーの積算９０％粒径を前記第１のフィラーの積算１０％粒径の１／１０以下としたことを特徴とする。ここで、前記第２のフィラーは球形粒子であることが望ましい。また、前記第２のフィラーはカーボン粒子であることが望ましい。
また、本発明の超音波センサは、超音波を送受信する略板状の圧電素子と、その超音波送受信面に設けられた上記の音響整合層とを有することを特徴とする。
本発明の音響整合層においては、中空ガラスバルーン粒子よりも平均粒径の小さい第２のフィラーを樹脂に混入している。この第２のフィラーが第１のフィラーである中空ガラスバルーン粒子を樹脂に混入する際に中空ガラスバルーン粒子相互間のすべりをよくするベアリングあるいは潤滑剤として機能するために、第２のフィラーを含まない場合に比べて粘性が低下し流動性が増す。そのため、従来と同じ中空ガラスバルーン粒子量であれば成形が容易になる。逆に、中空ガラスバルーン粒子の量を増やしても従来と同じ流動性を保つことができるので、より音響インピーダンスの低い音響整合層を得ることができる。
また、本発明の超音波センサにおいては、上記の音響整合層を用いることによって感度の向上を図ることができる。
図１に、本発明の音響整合層の一部断面図を示す。図１に示すように、本発明の音響整合層は、樹脂１の中に多数の第１のフィラーである中空ガラスバルーン粒子２と第２のフィラーであるカーボン粒子３が分散した状態で硬化している。カーボン粒子３は中空ガラスバルーン粒子２同士の隙間にも存在している。
次に、このような音響整合層の製造方法について説明する。
まず、硬化前の樹脂を準備する。樹脂の種類としては例えばエポキシ系樹脂などが考えられる。次に、樹脂の中に重量比で数％程度の微量のカーボン粒子を混入し、攪拌する。カーボン粒子はほぼ球形で、その積算９０％粒径（９０％の粒子の粒径がその値以下になる粒径、Ｄ９０粒径）が１００ｎｍ程度のものを使用する。なお、カーボン粒子は、個々の粒子が分離して存在していてもよいし、いくつかのカーボン粒子が凝集することによって全体として５００〜１０００ｎｍ程度の粒径になっているものを含んでいても構わない。なお、樹脂に混入するカーボン粒子の量は微量であるため、樹脂の粘度にはほとんど影響を与えない。
次に、カーボン粒子が混入された樹脂の中に中空ガラスバルーン粒子を混入し、攪拌する。中空ガラスバルーン粒子の積算１０％粒径（１０％の粒子の粒径がその値以下になる粒径、Ｄ１０粒径）は１０μｍ程度であり、その合計体積は樹脂の体積とほぼ同じ程度にする。
このとき、樹脂の体積に対する中空ガラスバルーン粒子の体積比が大きいため、カーボン粒子が混入されていない場合には、攪拌時に中空ガラスバルーン粒子同士が接触しこすれ合うために、その摩擦によって非常に粘度が高くなり、攪拌が困難になって樹脂中に中空ガラスバルーン粒子を均一に分散できなくなる。それに対して、樹脂にカーボン粒子が混入されていると、中空ガラスバルーン粒子同士の隙間にカーボン粒子が入り込み、これがベアリングのような働きをするために中空ガラスバルーン粒子同士の摩擦が低下し、樹脂全体の粘度が低下し、攪拌しやすくなる。そのため、樹脂中に中空ガラスバルーン粒子を均一に分散できるようになる。
次に、攪拌の終わった樹脂を型に入れる。このときも、中空ガラスバルーン粒子の混入比率に比較して相対的に樹脂全体の粘度がそれほど高くないため、型の隅々まで樹脂を行き渡らせることができる。すなわち成形作業が容易になり、作業コストを低減させることができる。最後にこれを熱硬化させる。このようにして所望の特性、形状の音響整合層が作成される。すなわち、例えば比重が２０〜３０％小さくなり、音響インピーダンスが０．９×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ程度のものが作成でき、理想値に近付けることができる。
ただし、中空ガラスバルーン粒子とカーボン粒子の混入順序は上記の順序に限定されるものではなく、逆でも同時でも構わない。もっとも、中空ガラスバルーン粒子を先に樹脂に混入する場合には一時的に粘度の高い状態になるために、作業性を考えればカーボン粒子を先に混入する方が望ましい。
このように構成された音響整合層においては、従来に比べて樹脂への中空ガラスバルーン粒子の混入比率を高めることができるので、比重がより軽く、音響インピーダンスを理想値に近付けることができる。その結果、この音響整合層を備えた超音波センサの高感度化を図ることができる。
逆に、従来と同程度の音響インピーダンスで構わない場合には、樹脂の粘度を下げることができるので成形型の形状の自由度を向上させることができ、音響整合層の形状のバリエーションを増やすことができる。
また、本発明の音響整合層においては、中空ガラスバルーン粒子の混入量を増やした場合に、中空ガラスバルーン粒子を樹脂中に細密充填に近い形で充填することができる。そのため、中空ガラスバルーン粒子の分散度合いが均一になり、密度の低下にもかかわらず、機械的強度がより強化されるというメリットもある。
なお、上記の実施例においては、第２のフィラーであるカーボン粒子のＤ９０粒径（１００ｎｍ）を第１のフィラーである中空ガラスバルーン粒子のＤ１０粒径（１０μｍ）の１／１００としているが、基本的に第２のフィラーのＤ９０粒径が第１のフィラーのＤ１０粒径の１／１０以下であれば同様の効果を奏することができる。
なお、第２のフィラーとしてカーボン粒子を採用しているのは、取り扱いが容易で、種類も多く、希望の粒子径のものを入手しやすいためである。したがって、第２のフィラーはカーボン粒子に限定されるものではなく、ガラス粒子、アルミナなどのセラミック粒子、粒子状の樹脂のようなものでも構わない。また、その形状も、球形に限定されるものではなく、立方体状、直方体状、円柱状、などでも構わない。この場合でも、中空ガラスバルーン粒子同士の間に位置して両者の接触面積を小さくして摩擦を減少させる効果に変わりはない。
図２に、本発明の超音波センサの一実施例の側面図を示す。図２において、超音波センサ１０は、圧電素子１１と、本発明の音響整合層１５とを備える。圧電素子１１は、略板状で厚み方向に分極された圧電体１２、圧電体１２の一方主面及び他方主面にそれぞれ形成された電極１３および電極１４から構成される。圧電素子１１は、圧電体１２の一方主面が超音波送受信面となっている。そして、この超音波送受信面に音響整合層１５が設けられている。
このように構成された超音波センサ１０においては、音響整合層１５の音響インピーダンスを低くして理想値に近付けることができるため、感度の向上を図ることができる。
１…樹脂
２…中空ガラスバルーン粒子
３…カーボン粒子
１０…超音波センサ
１１…圧電素子
１２…圧電体
１３、１４…電極
１５…音響整合層
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Claims (4)
- 第１のフィラーとしての中空ガラスバルーン粒子と、該中空ガラスバルーン粒子よりも平均粒径の小さい第２のフィラーとを樹脂に混入・分散・硬化してなる音響整合層であって、
前記第２のフィラーの積算９０％粒径を前記第１のフィラーの積算１０％粒径の１／１０以下としたことを特徴とする音響整合層。 - 前記第２のフィラーが球形粒子であることを特徴とする、請求項１に記載の音響整合層。
- 前記第２のフィラーがカーボン粒子であることを特徴とする、請求項１または２に記載の音響整合層。
- 超音波を送受信する略板状の圧電素子と、その超音波送受信面に設けられた請求項１ないし３のいずれか一項に記載の音響整合層とを有することを特徴とする超音波センサ。
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