JP4366874B2

JP4366874B2 - 音響整合部材とその音響整合部材の製造方法

Info

Publication number: JP4366874B2
Application number: JP2001063052A
Authority: JP
Inventors: 英樹両角; 大介別荘; 裕治中林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2021-03-07
Also published as: JP2002271898A

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などの流体の流量を測定する流量計測装置や、物体との距離を測定する距離計測装置などに用いる超音波送受波器に関するもので、特に超音波を送受信する手段と流体との音響インピーダンスの整合をとる音響整合部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物体の音響インピーダンスは密度×音速で求められる。空気中の音響インピーダンスＺ_AIRは約４２８kg/m²s、超音波を発生する手段である圧電振動子の音響インピーダンスＺ_PZTは約３０×１０⁶kg/m²sである。圧電振動子から空気中へ超音波を放射する場合、両者の音響インピーダンスの差異による音の反射が発生し、音の放射効率が低下する。これを改善するために用いるものが音響整合部材である。音響整合部材の音響インピーダンスＺ_Mは理論計算から、
【０００３】
【数１】

【０００４】
を満たす値が、音の反射がない状態になる理想値で、上記したＺ_PZT及びＺ_AIRの値を用いると、この値は約０．１１×１０⁶kg/m²sとなる。
【０００５】
図５は、音響整合部材の音響インピーダンスと圧電振動子から空気中に透過する音エネルギーの透過率との関係を示したグラフである。図５のグラフでは、音響インピーダンス約０．１１×１０⁶kg/m²sで、透過率が１となり反射のないことを示している。
【０００６】
このように理想的な音響インピーダンスを持つ音響整合部材を得るため音響整合部材を構成する材料の条件は、密度が軽いことと、音速が遅いことである。
【０００７】
このため、従来の音響整合部材には図６に示すように、樹脂３１にガラスバルーン３２を混ぜて固めた構成のものがある。ガラスバルーン３２は中空であるから、非常に軽いという特徴がある。これを樹脂３１に混ぜて固めて得られた構造体は、樹脂だけ固めて得られた構造体に比べ密度が軽くなる。また、用いるガラスバルーンの大きさは、音響整合部材を伝播する振動（音）の波長よりも、十分小さいもの（およそ振動の波長の１／１０以下）が、振動伝播に影響を与えにくいことから選択されている。音速はおよそ２３００m/sで、密度は１．２g/cm³の樹脂材料に、比重０．１３g/cm³のガラスバルーン（商標名「３Ｍガラス発泡体」）を混ぜて固めると、密度０．５６g/cm³、音速２１００m/sの構造体が得られる。これの音響インピーダンスＺ_COMは１．１８×１０⁶kg/m²sとなる。
【０００８】
そしてガラス層にガラス製マイクロバルーンを内有した構成の音響整合部材が知られている。この音響整合部材の特徴は、音響整合層をガラスだけで構成するので、高温時にも物性の変化がないということである。ただし、ガラスの音速は５０００〜６０００m/sec、密度は２．２g/cm³なので、このような構成で得られた構造体は、音速が速く、密度が大きくなり、音響インピーダンスは大きな値になるものと推定される。
【０００９】
特願平１−２５５１２４号公報の音響整合部材はガラスの中空球体だけで音響整合部材を構成することを特徴としており、その製造方法はガラスの中空球体が軟化する温度に加熱して、圧縮することで中空球体のそれぞれの接触点で結合させる方法が述べられている。ガラスの中空球体は商標名「３Ｍガラス発泡体」（前述したものと同等なもの）を用い、得られた音響整合部材は音速９００m/sec、音響インピーダンスＺ_BGは約０．４５×１０⁶kg/m²sの特性を持つことが明記されている。音響インピーダンスは音速×密度で表されるので、この音響整合部材は密度が０．５g/cm³となる。ガラスの音速は５０００〜６０００m/secであるが、中空球体とすることにより音速が９００m/sまで下がる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例に記載されている音響整合部材には次に示すような課題がある。
【００１１】
前述した音響整合部材の音響インピーダンスＺ_BGとＺ_COMとを、図５の特性図上にプロットすると、Ｚ_BGは黒三角記号に位置し、Ｚ_COMは黒四角記号に位置し、透過の割合はＺ_BGの場合が０．２１、Ｚ_COMの場合が０．０５となり、Ｚ_COMの場合に比べ、Ｚ_BGの場合は音の透過率が約４倍となる。しかしながら、実際には４倍の出力を得られることはなく、両者ともほぼ同等なレベルである。これはＺ_BGを得る構造体は、Ｚ_COMを得る構造体と比較して、その音響整合部材を伝播している最中に音が減衰しやすいことにあると考えられる。反対にＺ_COMを得る構造体はその音響整合部材を伝播している最中の音の減衰は小さいが、Ｚ_BGを得る構造体と比較して、音速が速いため音響インピーダンスが大きくなり、音が空気中へ放射されるときの反射が大きくなる。結局、実際には両音響整合部材より出力される音の大きさには大差がない。このため、Ｚ_BGやＺ_COMを得る構造体で構成される音響整合部材より、音の出力が大となる音響整合部材が求められている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、音響整合部材を複数の空隙を有する多孔体の構成とし、前記多孔体は複数の微小粒子と界面活性剤との混合体を発泡後の状態において、微小粒子が溶ける温度で加熱し固形化するものとした。
【００１３】
上記発明によれば、発泡状態で固形化するので、空隙が維持されることとなり、音響整合部材の密度を小さくできる。また、複雑な構造体を形成し、音の伝播経路が複雑になるので、音速を遅くすることができる。同時に、この複雑な構造が力の方向を分散し、音響整合部材の強度を強くできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１にかかる音響整合部材は、複数の空隙を有する多孔体で構成され、前記多孔体は複数の微小粒子と界面活性剤との混合体を発泡後の状態において微小粒子が溶ける温度で加熱、固形化したものである。
【００１５】
この請求項１に記載した構成を実施の形態とした音響整合部材は、発泡させた状態で固形化するので、空隙を維持することができ、音響整合部材の密度を小さくできる。また、複雑な構造なので、音の伝播経路が複雑になり、音速を遅くできる。同時に、この複雑な構造が力の方向を分散させるので、音響整合部材の強度を強くすることができる。
【００１６】
本発明の請求項２にかかる音響整合部材は、請求項１記載の発明に加えて、複数の微小粒子の大きさは、空隙の大きさの１／２０以下としたものである。
【００１７】
この請求項２に記載した構成を実施の形態とした音響整合部材は、微小粒子の大きさを小さくしたものであるから、発泡時にも粒子の重さで形が崩れることがない。また、発泡時の泡の膜が非常に薄くても、粒子が小さいので多孔体を形成できる。
【００１８】
本発明の請求項３にかかる音響整合部材の製造方法は、請求項１記載の発明に加えて、多孔体の空隙の大きさを微小粒子と界面活性剤との混合体の粘度で調整することとした。
【００１９】
この請求項３に記載した構成を実施の形態とした音響整合部材の製造方法は、多孔体の空隙の大きさを微小粒子と界面活性剤との混合体の粘度で調整したものであるから、音響整合部材の音の波長に比べ十分に小さい空隙を作ることができ、空隙が音の減衰に与える影響を抑えることができる。
【００２０】
本発明の請求項４にかかる音響整合部材の製造方法は、請求項１記載の発明に加えて、多孔体の空隙の大きさは、微小粒子と界面活性剤の混合体の発泡後、加熱するまでの経過時間で調整することとした。
【００２１】
この請求項４に記載した構成を実施の形態とした音響整合部材の製造方法は、発泡状態のまま時間を経過させると、大きな泡が沈み、小さな泡が浮上するという作用を用いて、経過時間を調整することで、空隙の大きさが異なる層を形成するものである。従って空隙の大きさが異なる層を容易に形成することができる。
【００２２】
本発明の請求項５にかかる音響整合部材の製造方法は、請求項１ないし４のいずれかに記載の発明に加えて、複数の微小粒子を第一の構成材料と、第一の構成材料より高融点の第二の構成材料で構成し、加熱する温度は融点の低い材料が溶ける温度にして多孔体とするものである。
【００２３】
この請求項５に記載した構成を実施の形態とした音響整合部材の製造方法は、融点の低い第一の構成材料を用いた微小粒子が溶けて結合し、音の伝播経路を構成するとともに、融点の高い第二の構成材料を用いた微小粒子が溶けないので、融点の低い材料を用いた微小粒子の流動を抑える。この二つの作用により、発泡状態の空隙の形を維持したまま音響整合部材を形成することができる。
【００２４】
本発明の請求項６にかかる音響整合部材の製造方法は、請求項５に記載の発明に加えて、第一の構成材料をガラス、第二の構成材料をセラミックとしたものである。
【００２５】
この請求項６に記載した構成を実施の形態とした音響整合部材の製造方法は、ガラスはセラミックに比べ密度が小さいので、音響整合部材の密度を小さくできる。また、ガラス、セラミックともに熱膨張係数が小さく、温度による特性変化を小さくできる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２７】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における音響整合部材の構造を説明するものである。１は音響整合部材、２は音響整合部材１の骨格で、複数の微小粒子が溶けて結合することで構成されている。この骨格２は複雑な構造体を形成しており、音の伝播経路を長くしており、音速を遅くする効果がある。３は空隙であり、複数の微小粒子と界面活性剤の混合体を発泡させたときの泡の跡で構成されている。
【００２８】
骨格２を構成している微小粒子の材質はガラスである。微小粒子の大きさは数μm以下である。例えば、あるガラスの密度は２．８g/cm³であるが、音響整合部材１は複数の空隙を有する構造なので、音響整合部材１のかさ密度は、ガラスの密度より小さくなる。
【００２９】
なお、前記微小粒子の材質は限定するものではなく、アルミニウム、銅、鉄などの金属、カーボン、セラミックなどを用いてもよい。
【００３０】
図２は、図１に示した音響整合部材の製造方法を示すフローチャートである。
【００３１】
ステップ１１の混合処理において、骨格２を構成することになる微小粒子と界面活性剤と固形助剤を混合する。微小粒子の大きさの平均値は約１μmである。これは音響整合部材の空隙の大きさを約３０μmにするためである。このように微小粒子の大きさを空隙の大きさに対し十分に小さくすることで、発泡時に粒子の重みにより形状が変化することを防止する。また、非常に小さい泡を多数作ることができる。これは、本発明の請求項２に記載の発明の一実施例を示している。固形助剤の第一の目的は、多少の振動を受けても泡が潰れないように、８０〜１００℃で加熱して固形化することである。第二の目的は、前記固形助剤が持つ粘性を利用して、発泡時の泡の大きさを調整することである。この第二の目的は、本発明の請求項３に記載の発明の一実施例を示している。なお、本実施例では、この固形助剤にＰＶＡ（ポリビニルアルコール）と水を混合したものを用いているが、これは一例であり、別の材料を用いてもよいし、また固形助剤を用いなくてもよい。
【００３２】
ステップ１２の発泡処理では、微小粒子と界面活性剤と固形助剤の混合体をかき混ぜて泡立てる。これは攪拌機や泡立て器を用いればよい。
【００３３】
ステップ１３の成形処理では、発泡させた混合体を成形ケースに入れる。本実施例の成形ケースの材料にはテフロンを用いている。これは、後で成形品を取り出しやすくするためである。ただし、これは一例であり、ステンレスなどを用いても構わない。ステップ１３の成形処理において、発泡状態のまま、所定時間経過させると、泡の大きさの異なる層の分布が生じる。この層の分布を用いて、密度と音速が異なる複数の層を有する高効率な音響整合部材を実現することができる。もしくは、最適な泡の大きさを有する層のみを取り出して音響整合部材とすることもできる。なお、発泡後の経過時間により泡の大きさの異なる層を形成することは請求項４に記載の発明の一実施例を示している。
【００３４】
ステップ１４の乾燥処理では、界面活性剤及び固形助剤に含まれる水分を蒸発させるとともに、固形助剤を固体化させて、発泡状態を維持する。このとき、水分が沸騰しない温度で加熱する。固形助剤により固体化した微笑粒子の集合体は十分に固く、成形ケースから容易に取り出すことができる。
【００３５】
ステップ１５の加熱処理では、固形助剤を徐々に蒸発させるために、徐々に温度を上げていく。そして、固形助剤が十分に蒸発した後で、微小粒子の材料であるガラスが溶ける温度まで加熱し、微小粒子同士を結合させ、骨格２を形成する。
【００３６】
その後、厚さなどを調整して音響整合部材とする。
【００３７】
図３は、ステップ１５の加熱処理における温度タイムチャートを示している。ステップ１５の加熱処理でも説明したが、まずは固形助剤を完全に蒸発させるために所定温度Ｔ１まで加熱する。このとき、温度変化の時間変化に対する割合ｄＴ１／ｄｔ（タイムチャートの傾き）を非常に小さいものとする。これは、固形助剤が急に蒸発し、内部に膨れが生じるのを防止するためである。実験的には、ｄＴ１／ｄｔは約５℃／ｈがよいことがわかっているが、これは一例であり、固形助剤の材料や含まれる割合により変化するものである。これに対し、微小粒子であるガラスを溶かす温度Ｔ２までの温度変化の時間変化に対する割合ｄＴ２／ｄｔはｄＴ１／ｄｔよりも大きくて構わない。しかし、微小粒子の集合体に温度ムラを生じないようにするためには、大きくしすぎてはいけない。実験的には、ｄＴ２／ｄｔは約４０℃／ｈにすることが望ましいことがわかっている。ただし、これは一例で、微小粒子の材料により変化するものである。
【００３８】
以上のように、複数の微小粒子と界面活性剤を混合し、かき混ぜて、発泡させることにより、多数の空隙が構成できるので、密度の小さい音響整合部材を構成することができる。同時に複雑な構造体を構成するので、音の伝播経路が長くなり音速を遅くできる。そして、この複雑な構造が力のかかる方向も分散させるので、強度を強くできる。また、ガラスを溶かして結合しているので、音響整合部材の骨格は一体化しており、音のエネルギーの減衰を抑えることができる。
【００３９】
（実施例２）
図４は、本発明の実施例２における音響整合部材の一部を拡大して示した説明図である。２１は音響整合部材の骨格である。２２はセラミック材料の一つであるアルミナ粒子で、融点は約１５００℃である。２３はガラスで、複数のガラス粒子が約９００℃で溶けて結合したものである。
【００４０】
この音響整合部材の製造方法は、加熱処理１５において、複数の粒子を加熱する温度をガラス２３が溶ける温度としている以外、実施例１と同様であり、ここでは省略する。
【００４１】
図４に示すように骨格２１は、アルミナ粒子２２とガラス２３で構成されている。ガラス２３はアルミナ粒子２２と結合している。アルミナ粒子２２が溶けずに残ることで、ガラス２３が溶けても発泡状態の形状を維持することができる。
【００４２】
以上のように、複数の融点の異なる材料を混合することにより、低融点の材料が溶けて互いに結合しても、高融点の材料が溶けずに残るので、発泡状態の形状を維持することができ、音響整合部材の密度を小さくし、音速を遅くすることができる。これは、本発明の請求項５、６の一実施例を示している。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の音響整合部材とその音響整合部材の製造方法は、音響整合部材の材料となる微小粒子と界面活性剤を混合し、この混合体を発泡させて空隙を形成するものであり、音響整合部材の密度を小さくし、音速を遅くする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における音響整合部材の内部構造説明図
【図２】同音響整合部材の製造方法のフローチャート
【図３】同音響整合部材の加熱処理タイムチャート
【図４】本発明の実施例２における音響整合部材の内部を拡大して示した説明図
【図５】従来の音響整合部材における音響インピーダンスと音エネルギーの透過率との関係を示すグラフ
【図６】従来の音響整合部材の内部構成説明図
【符号の説明】
１音響整合部材
２、２１骨格
３空隙
２２アルミナ粒子
２３ガラス

Claims

複数の微小粒子と界面活性剤との混合体であって、かつ発泡後の状態において、前記微小粒子が溶ける温度で加熱固形化した空隙を有する多孔体で構成されたことを特徴とする音響整合部材。
複数の微小粒子の大きさは、多孔体の空隙の大きさの１／２０以下であることを特徴とする請求項１に記載の音響整合部材。
多孔体の空隙の大きさは、微小粒子と界面活性剤との混合体の粘度調整で定めることを特徴とする請求項１に記載の音響整合部材の製造方法。
多孔体の空隙の大きさは、微小粒子と界面活性剤との混合体の発泡後の経過時間で調整して定めることを特徴とする請求項１に記載の音響整合部材の製造方法。
複数の微小粒子は、第一の構成材料と、第一の構成材料より高融点の第二の構成材料で構成されていて、加熱温度は前記第一の構成材料が溶ける温度としたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の音響整合部材の製造方法。
第一の構成材料をガラスとし、第二の構成材料をセラミックとしたことを特徴とする請求項５に記載の音響整合部材の製造方法。