JP4374791B2 - 音響整合部材の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響整合部材の振動伝搬損失を調整する製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
音響整合部材は、超音波振動子などから発生した振動を空気などに効率よく伝搬させるため、超音波振動子と空気との音響インピ−スダンスの整合をとるように構成されていた。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−スダンスZAIR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ZPZT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ZM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ZPZT及びZAIRの値を用いると、この値は約0.11×106kg/m2sとなる。
【0005】
また、超音波振動子が振動を停止した後であっても音響整合部材が振動を続ける残響という現象があり、超音波振動を使用した計測を短い周期で繰り返す場合、この残響を早く収束させる必要がある。図10に示すように従来の音響整合部材10では、音響整合部材に樹脂やゴムなどの振動を吸収する振動吸収部材11を混入することによってこの残響を早く収束させていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の音響整合部材の製造方法では、樹脂やゴムなどの振動吸収部材は温度特性によって振動吸収量が変化する。特に低温では振動をほとんど吸収しないため安定した性能を得ることができなかった。また樹脂やゴムは密度が高く音響インピーダンスの整合を悪くしていた。そこで、音響整合部材の密度を高くすることなく振動吸収量を任意に調整し安定化するということが課題であった。
【0007】
【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、骨格を形成する主材料と、前記主材料を固める補助材料とを混合し、その混合物を焼結する段階で前記補助材料の融解割合を少なくすることによって前記主材料どうしの結合を調整することとした。
【0008】
上記発明によれば、主材料と補助材料との混合物を焼結する段階で前記補助材料の融解割合を少なくすることによって前記主材料どうしの結合を調整するので、前記主材料どうしの結合を弱めることで振動を吸収し、前記主材料の温度特性には影響を受けない。また第3の物質を混入しないので密度も高くならない。よって振動吸収量が安定しており、安定した振動性能を得ると同時に音響インピーダンスの整合を崩さない音響整合部材を容易に実現できる。
【0009】
【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の製造方法は、骨格を形成する主材料と、前記主材料を固める補助材料とを混合し、その混合物を焼結する段階で前記補助材料の融解割合を少なくすることによって前記主材料どうしの結合を調整することを特徴とするものである。
【0010】
そして、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の製造方法は、焼結する段階で前記補助材料の融解割合を少なくすることによって前記主材料どうしの結合を調整するので、前記主材料どうしの結合を弱めることで振動を吸収し、前記主材料の温度特性には影響を受けない。また第3の物質を混入しないので密度も高くならない。よって振動吸収量が安定しており、安定した振動性能を得ると同時に音響インピーダンスの整合を崩さない音響整合部材を容易に実現できるという作用効果がある。
【0011】
また、本発明の請求項2にかかる音響整合部材の製造方法は、請求項1に記載の音響整合部材の製造方法において焼結温度を調整することによって補助材料の融解割合を調整する。そして、主材料どうしの結合強さを弱くする場合は焼結温度をほぼ補助材料の融点付近に設定する。この場合補助材料は一部が融解し主材料どうしを接合するので結合は弱くなる。この方法によると結合強さを温度設定によって任意に設定することができる。
【0012】
また、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に記載の音響整合部材の製造方法において焼結時間を調整することによって補助材料の融解割合を調整する。そして、主材料どうしの結合強さを弱くする場合は焼結時間を短く設定する。この場合は補助材料は一部が融解し主材料どうしを結合するので結合は弱くなる。この方法によるとたくさんの種類の結合強さを持つ音響整合部材を製作する場合であっても、炉を一つ用意すれば同じ設定温度で引き出す時間を変えるだけで同時に製作することができる。また結合強さを時間設定によって任意に設定することができる。
【0013】
また、本発明の請求項4にかかる音響整合部材の製造方法は、骨格を形成する主材料と、前記主材料を固める補助材料とを混合し、前記補助材料の量によって前記主材料どうしの結合を調整して焼結する。そして主材料どうしの結合強さを弱くする場合は前記補助材料の量を減らし、前記主材料どうしで形成する隙間を前記補助材料が埋め結合する割合を少なくする。こうすることによって前記主材料どうしの結合は弱まり振動を吸収するようになる。この方法によると、前記補助材料の量を調整することによって任意の結合強さを得ることができる。
【0014】
また、本発明の請求項5にかかる音響整合部材の製造方法は、骨格を形成する主材料と、前記主材料を固める補助材料と、空孔形成材とを混合し、混合する前記空孔形成材の量によって前記主材料どうしの結合を調整して焼結する。そして、主材料どうしの結合強さを弱くする場合は、前記空孔形成材の量を増やす。この場合前記主材料どうしの結合量が少なくなり、結合は弱くなる。この方法によると、前記空孔形成材の量を調整することによって任意の結合強さを得ることができる。
【0015】
【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。
【0016】
(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を薄く切った場合の説明図、図2は同音響整合部材の製造方法のフローチャ−ト、図3と図4は焼結処理時の温度変化の様子を示す図、図5は焼結前の音響整合部材を薄く切った場合の説明図である。
【0017】
図1において、1は音響整合部材を示す。2は音響整合部材1を構成する主材料であり、一実施例としてここではアルミナを用いることとする。3は同じく音響整合部材1を構成する補助材料であり、一実施例としてここでは融点が700℃のガラスを用いることとする。4は空孔であり、空孔形成材5を除去した後の空孔を示す。空孔形成材5には一実施例としてアクリル球を用いることとする。この図は主材料2が骨格を形成し、複数の主材料2どうしを補助材料3が接合していることを示す。
【0018】
次に実施例1における音響整合部材1の製造方法について図2のフローチャートを用いて説明する。
【0019】
まずステップ1の混合処理1では、主材料2であるアルミナと補助材料3であるガラスを混合する。次にステップ2の混合処理2で混合処理1でできた混合材に空孔形成材5であるアクリル球を混合する。次にステップ3の加圧形成処理では混合処理2でできた混合材を音響整合部材1の形状をしたケースに入れ1トンで加圧形成する。この状態を図5で示す。次にステップ4の焼成処理では、空孔形成材5を高温で焼き飛ばし除去すると同時に、補助材料3のガラスを融解させ複数の主材料2に融着させることによって主材料2どうしを結合する。
【0020】
次に図3と図4を用いてステップ4の焼成処理の時の温度と時間との設定と結合強さの関係を説明する。図3は設定温度を変えた場合である。炉の温度は設定温度まで5℃/1時間で上昇し、設定温度に達すると2時間設定温度を保ち、その後10℃/1時間で下降する。音響整合部材1の結合を弱くする場合は図3の記号Aに示すように設定温度を融点付近に設定する。ここでは750℃としている。音響整合部材1の結合を強くする場合は図3の記号Bに示すように設定温度を融点に対し十分高く設定する。ここでは800℃としている。こうすることにより、補助材料3の融解する度合いが変化し、主材料2どうしを結合する強さを変えることができる。
【0021】
この製造方法によれば、焼結する段階での前記補助材料の融解割合によって前記主材料どうしの結合を調整するので、前記主材料どうしの結合を弱めることで振動を吸収し、前記主材料の温度特性には影響を受けない。また第3の物質を混入しないので密度も高くならない。よって振動吸収量が安定しており、安定した振動性能を得ると同時に音響インピーダンスの整合を崩さない音響整合部材を容易に実現できる。また温度設定によって音響整合部材1の結合強さを任意に設定することができるという効果がある。
【0022】
図4は設定温度での加熱時間を変えた場合である。炉の温度は設定温度まで5℃/1時間で上昇し、750℃に達すると設定時間の間、設定温度を保ち、その後10℃/1時間で下降する。音響整合部材1の結合を弱くする場合は、図4の記号Aに示すように設定時間を短時間に設定する。ここでは2時間としている。音響整合部材1の結合を強くする場合は、図4の記号Bに示すように設定時間を十分長く設定する。ここでは5時間としている。こうすることにより、補助材料3の融解する度合いが変化し、主材料2を結合する強さを変えることができる。この製造方法によると音響整合部材1の結合強さ、つまり振動減衰特性を時間設定によって任意に設定することができるという効果がある。
【0023】
(実施例2)
図6は本発明の実施例2における補助材料の質量割合が30%の音響整合部材を薄く切った場合の説明図、図7は同補助材料の質量割合が50%の音響整合部材を薄く切った場合の説明図である。
【0024】
本実施例2において、実施例1と異なる点は補助材料3の量を少なくした点である。なお、製造工程は実施例1の場合と同一であるが、炉の温度変化は図3の記号Bとする。
【0025】
この実施例によれば、図6は図7に比べ補助材料3の量が少なく主材料2の一部どうししか結合していない。このため図6の音響整合部材1は結合が弱く、振動の減衰も早くなる。この方法によると、補助材料3の量を調整することによって任意の結合強さ、つまり振動減衰特性を得ることができる。
【0026】
(実施例3)
図8は本発明の実施例3における空孔形成材5の体積割合が90%の音響整合部材を薄く切った場合の説明図、図9は同空孔形成材5の体積割合が70%の音響整合部材を薄く切った場合の説明図である。
【0027】
本実施例3において、実施例1と異なる点は空孔形成材の量を多くした点である。なお、製造工程は実施例1における製造工程と同じであるが、炉の温度変化は図3の記号Bとする。
【0028】
この実施例によれば、図8は図9に比べ空孔4の量が少なく主材料2が一部でしか結合していない。このため図7の音響整合部材1は結合が弱く、振動の減衰も早くなる。この方法によると、空孔形成材の量を調整することによって任意の結合強さ、つまり振動減衰特性を得ることができる。
【0029】
なお、前記各実施例において使用する材料は同様な機能を果すものであればよく、この実施例に示された材料に特定されるものではない。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の音響整合部材の製造方法によれば、焼結する段階で主材料と混合する補助材料の融解割合を少なくすることによって前記主材料どうしの結合を調整するので、前記主材料どうしの結合を弱めることで振動を吸収し、前記主材料の温度特性には影響を受けない。また第3の物質を混入しないので密度も高くならない。よって振動吸収量が安定しており、安定した振動性能を得ると同時に音響インピーダンスの整合を崩さない音響整合部材を容易に実現できるという効果がある。
【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を薄く切った場合の説明図
【図2】同音響整合部材の製造方法を示すフローチャート
【図3】同音響整合部材の設定温度を調整した場合の焼成処理時の温度変化の様子を示す図
【図4】同音響整合部材の時間温度を調整した場合の焼成処理時の温度変化の様子を示す図
【図5】同焼結前の音響整合部材を薄く切った場合の説明図
【図6】本発明の実施例2における補助材料の質量割合が30%の音響整合部材を薄く切った場合の説明図
【図7】同補助材料の質量割合が50%の音響整合部材を薄く切った場合の説明図
【図8】本発明の実施例3における空孔形成材の体積割合が90%の音響整合部材を薄く切った場合の説明図
【図9】同空孔形成材の体積割合が70%の音響整合部材を薄く切った場合の説明図
【図10】従来の音響整合部材の断面の説明図
【符号の説明】
1 音響整合部材
2 主材料
3 補助材料
4 空孔
5 空孔形成材
Claims (5)
- 骨格を形成する主材料と、前記主材料を固める補助材料とを混合し、その混合物を焼結する段階で前記補助材料の融解割合を少なくすることによって前記主材料どうしの結合を調整することを特徴とする音響整合部材の製造方法。
- 焼結温度を調整することによって補助材料の融解割合を調整することを特徴とする請求項1記載の音響整合部材の製造方法。
- 焼結時間を調整することによって補助材料の融解割合を調整することを特徴とする請求項1記載の音響整合部材の製造方法。
- 骨格を形成する主材料と、前記主材料を固める補助材料とを混合し、前記補助材料の量によって前記主材料どうしの結合を調整して焼結することを特徴とする音響整合部材の製造方法。
- 骨格を形成する主材料と、前記主材料を固める補助材料と、空孔形成材とを混合し、前記空孔形成材の量によって前記主材料どうしの結合を調整して、焼結することを特徴とする音響整合部材の製造方法。
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