JP4411982B2 - 超音波センサ用音響整合層の製造方法および成形型 - Google Patents

Description

本発明は、超音波センサの一部として用いられる音響整合層の製造方法およびこの音響整合層の製造に適した成形型に関するものである。

超音波センサには、圧電素子を搭載した送受信兼用のものがある。ここでいう「圧電素子」とは、板状で厚み方向に分極された圧電体の両面に薄膜状の電極を形成したものである。送信を行なう場合には、両電極間に信号電圧を印加することによって、圧電体を振動させる。その結果、圧電体の表面から超音波が放射される。逆に受信の際には、圧電体の表面に超音波が当たることによって圧電体が振動する。その結果、両電極間から電気信号が出力される。

圧電体には音響インピーダンスがあり、超音波の放射先の媒体である気体や液体にも音響インピーダンスがある。一方、音響インピーダンスの大きさが大きく異なるもの同士の間では、効率良く超音波を伝えることが困難である。そこで、圧電体の表面に取り付ける形で、両者の間の大きさの音響インピーダンスを有する音響整合層を圧電体と媒体との間に設けることによって、圧電体と媒体との間での超音波の伝達が効率良く行なえるようになる。

音響整合層は、たとえば微小な直径で中空のガラスバルーンをエポキシ樹脂に混入し、よく攪拌したものを適当な形に成形して硬化させて作られる。この硬化は、たとえば、１００℃で１時間にわたって加熱することによってなされる。このようにして作られた音響整合層は、ガラスバルーンを含むため、密度が小さくなり、放射先の媒体である気体などの音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを有するようになる。このような音響整合層の製造方法の一例が特開２００３−１４３６８５号公報（特許文献１）に開示されている。
特開２００３−１４３６８５号公報

従来、音響整合層を形成する際には、硬化した材料を堅い成形型から円滑に取り出すためには、予め成形型の内面に離型剤としてシリコンやフッ素などを膜状に塗布しておく必要があった。その場合、硬化させて取り出した製品に付着した離型剤を除去するために洗浄する必要があった。

そこで、本発明においては、製品に付着した離型剤を除去するための製品の洗浄が不要な超音波センサ用音響整合層の製造方法を提供することを目的とする。さらに製品に付着した離型剤を除去するための製品の洗浄が不要な成形型を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく超音波センサ用音響整合層の製造方法は、可屈性のある部分を含む成形型が少なくとも一部を規定する空間内で音響整合層用の材料を成形し硬化させる工程と、上記成形型を変形させることによって成形物を取り出す工程とを含む。この方法を採用することにより、成形型からの製品の取り出しが非常に簡単に行なえる。しかも、成形型の内面に離型剤を塗布することも不要となるので、離型剤の塗布工程や離型剤を除去するための製品の洗浄工程も不要となる。

上記発明において好ましくは、上記成形物を取り出す工程は、上記成形型の底部を押し上げる向きに変形させることによって行なう。この方法を採用することにより、成形物は迅速かつ確実に成形型から押し出され、なおかつ、押し出される向きが一定となるので、作業性が向上する。

上記発明において好ましくは、上記音響整合層用の材料を成形し硬化させる工程は、上記成形型と超音波センサの構成部材とを組み合わせて生じる空間内で上記音響整合層用の材料を成形し硬化させる。この方法を採用することにより、成形型からの取り出しの段階で既に構成部材に音響整合層が取り付けられた状態のものが得られるので、工程数を低減することができる。

上記発明において好ましくは、上記成形型として、ポリプロピレンからなるものを用いる。この方法を採用することにより、成形型を安価に調達することができる。また、適当な厚みを選択することによって、適度な強度および精度も実現でき、なおかつ、製品取出しの際に変形させやすい。

上記目的を達成するため、本発明に基づく成形型は、超音波センサ用音響整合層の成形に用いるためのものであって、可屈性のある部分を含む。この構成を採用することにより、成形型からの製品の取り出しが非常に簡単に行なえる。しかも、成形型の内面に離型剤を塗布することも不要となるので、離型剤の塗布工程や離型剤を除去するための製品の洗浄工程も不要となる。

上記発明において好ましくは、成形型は、成形物を押し出す向きに変形可能な底部を備える。この構成を採用することにより、成形物は迅速かつ確実に成形型から押し出され、なおかつ、押し出される向きが一定となるので、作業性が向上する。

上記発明において好ましくは、成形型は、ポリプロピレンからなる。この構成を採用することにより、成形型を安価に調達することができる。

上記発明において好ましくは、成形型は、厚みが約０．５ｍｍである。この構成を採用することにより、適度な強度および精度を実現でき、なおかつ、製品取出しの際に変形させやすくなる。

本発明によれば、成形型が変形させやすくなるので、成形型を変形させることで成形型からの製品の取り出しが非常に簡単に行なえる。しかも、成形型の内面に離型剤を塗布することも不要となるので、離型剤の塗布工程や離型剤を除去するための製品の洗浄工程も不要となる。

（実施の形態１）
（構成）
図１〜図４を参照して、本発明に基づく実施の形態１における超音波センサ用音響整合層（以下、単に「音響整合層」という。）の製造方法について説明する。

図１に示すように、第１の成形型１と第２の成形型２とを用意する。これらの成形型は全体に可屈性を有する。これらのうち少なくとも一方には凹部が設けられている。図１に示す例では第２の成形型２に凹部が設けられている。この凹部に未硬化の音響整合層用の材料３を配置する。図２に示すように、第１の成形型１と第２の成形型２とを組み合わせて固定して材料３を成形する。この状態では、材料３は第１，第２の成形型１，２によって規定される空間内に閉じ込められている。ここで、熱処理を行なうことによって材料３を硬化させる。これが、可屈性のある部分を含む成形型が少なくとも一部を規定する空間内で材料を成形し硬化させる工程である。

材料３の硬化が完了したら第１の成形型１を外し、図３に示すように第２の成形型２の底部を押し込む。すなわち、底部を押し上げる向きに変形させる。こうすることで、材料３が硬化することによってできた音響整合層４を第２の成形型２の凹部から取り出すことができる。これが、成形型を変形させることによって成形物を取り出す工程である。こうして得られた音響整合層４は、超音波センサを構成する部品となる。

なお、図３のように第２の成形型２の底部を押し込む代りに、図４に示すように第２の成形型２の凹部の側面を引き剥がすように変形させて音響整合層４を取り出すこととしてもよい。

（作用・効果）
本実施の形態では、成形型からの製品の取り出しが非常に簡単に行なえる。しかも、予め成形型の内面に離型剤を塗布することも不要であるので、離型剤の塗布工程が不要となる。さらに、取り出した製品から離型剤を除去するための洗浄工程も不要となる。

（実施の形態２）
（構成）
図５〜図７を参照して、本発明に基づく実施の形態２における音響整合層の製造方法について説明する。

図５に示すように、構成部材５と成形型６とを用意する。構成部材５はのちに超音波センサの一部となるものである。成形型６は可屈性を有する。本実施の形態では、構成部材５は凹部を有する。図５に示すように、構成部材５の凹部に未硬化の音響整合層用の材料３を配置する。図６に示すように、構成部材５と成形型６とを組み合わせて固定して材料３を成形する。この状態では、材料３は構成部材５と成形型６とによって規定される空間内に閉じ込められている。ここで、熱処理を行なうことによって材料３を硬化させる。これが、可屈性のある部分を含む成形型が少なくとも一部を規定する空間内で材料を成形し硬化させる工程であり、なおかつ、成形型と超音波センサの構成部材とを組み合わせて生じる空間内で前記材料を成形し硬化させる工程にも該当する。

材料３の硬化が完了したら成形型６を外す。この際には、成形型６を変形させて取り外す。これが、成形型を変形させることによって成形物を取り出す工程である。こうすることで、図７に示すように構成部材５の凹部に音響整合層４が収まった構造の超音波センサ７を得ることができる。あるいは、この段階で超音波センサの完成品とするのでなく、さらに何らかの組立工程を経て超音波センサを完成させることとしてもよい。

（作用・効果）
本実施の形態においても実施の形態１と同様の効果が得られる。さらにこれに加えて、成形型からの取り出しの段階で既に構成部材５に音響整合層４が取り付けられた状態のものが得られるので、超音波センサの組立工程のうち音響整合層を対応する部品に接合する工程が不要となり、工程数の削減につながる。また、構成部材５に接する状態で材料３の硬化が行なわれるので、音響整合層４と構成部材５との接合力を高めることができる。

（実施の形態３）
（構成）
図８〜図１０を参照して、本発明に基づく実施の形態３における音響整合層の製造方法について説明する。

図８に示すように、構成部材１５と成形型１６とを用意する。構成部材１５はのちに超音波センサの一部となるものである。成形型１６は可屈性を有する。本実施の形態では、成形型１６は凹部を有する。

図８に示すように、構成部材１５の凹部に未硬化の材料３を配置する。さらに図８の矢印に示すように構成部材１５の凹部に対して構成部材１５を嵌め込む。図９に示すように、構成部材１５と成形型１６とを組み合わせて固定して材料３を成形する。この状態では、材料３は構成部材１５と成形型１６とによって規定される空間内に閉じ込められている。ここで、熱処理を行なうことによって材料３を硬化させる。これが、可屈性のある部分を含む成形型が少なくとも一部を規定する空間内で材料を成形し硬化させる工程であり、なおかつ、成形型と超音波センサの構成部材とを組み合わせて生じる空間内で前記材料を成形し硬化させる工程にも該当する。

材料３の硬化が完了したら成形型１６から成形物を取り出す。この際には、成形型１６を変形させて取り外す。これが、成形型を変形させることによって成形物を取り出す工程である。こうして、図１０に示すように構成部材１５に音響整合層４が接続された構造の超音波センサ１７を得ることができる。あるいは、この段階で超音波センサの完成品とするのでなく、さらに何らかの組立工程を経て超音波センサを完成させることとしてもよい。

構成部材１５は圧電素子であってもよい。あるいは、構成部材１５は、予め他の成形型で形成した他の音響整合層であってもよい。

（作用・効果）
本実施の形態においても実施の形態２と同様の効果が得られる。本実施の形態は、音響整合層に接合すべき構成部材が凹部を有していない場合にも採用することができる。

なお、上記各実施の形態において使用する各成形型の材質は特に限定しないが、たとえば、ポリプロピレンで形成した成形型を利用することができる。特に厚み０．５ｍｍとすることが適当である。そのような成形型を用いることにすれば、成形型を安価に調達することができ、また、製品取出しの際に変形させやすく、なおかつ適度な強度および精度も実現できるので好ましい。

（実施の形態４）
（構成）
図１１〜図１８を参照して、本発明に基づく実施の形態４における音響整合層の製造方法について説明する。

図１１に示すように、第１の成形型３１を用意する。第１の成形型３１は、板状であり、凹部３１ａと材料逃がし部３１ｂとを有する。図１１の矢印に示すように凹部３１ａにベース部材２１を嵌め込む。ベース部材２１は、圧電素子２２を保持している。図１２に示すように、ベース部材２１は凹部３１ａに嵌め込まれて第１の成形型３１に固定される。

一方、図１３に示すように、第２の成形型３２を用意する。第２の成形型３２は、凹部３２ａを有する。凹部３２ａの底部は曲面状の押出し部３２ｃとなっている。押出し部３２ｃは可屈性を有する。図１３に示すように、第２の成形型３２の凹部３２ａに未硬化の材料３３を配置する。図１３に示す工程を行なうタイミングは、図１１、図１２に示す工程と時期的に先でも後でもよく、同時並行的に行なってもよい。

図１２に示した第１の成形型３１に対して、図１３に示した第２の成形型３２を対向させてベース部材２１が第２の成形型３２の凹部３２ａに入り込むようにかみ合わせる。こうすることによって、図１４に示すようになる。この状態では、材料３３は、超音波センサの構成部材であるベース部材２１および圧電素子２２と、第２の成形型３２とによって規定される空間内に閉じ込められている。材料３３のうちこの空間に入り切らなかったものは、材料逃がし部３１ｂに逃がされる。

ここで、熱処理を行なうことによって材料３３を硬化させる。これが、可屈性のある部分を含む成形型が少なくとも一部を規定する空間内で材料を成形し硬化させる工程であり、なおかつ、成形型と超音波センサの構成部材とを組み合わせて生じる空間内で前記材料を成形し硬化させる工程にも該当する。

材料３３の硬化が完了したら、図１５に示すように第１の成形型３１を外す。材料３３が詰まっていた部分は既に硬化により音響整合層３４となっている。材料３３が硬化したことにより、ベース部材２１は音響整合層３４と接合された状態となっている。したがって、第１の成形型３１を外しても、ベース部材２１は第１の成形型３１についていくことはなく、音響整合層３４とともに第２の成形型３２の側に留まる。

図１６の矢印に示すように、押出し部３２ｃを押し込む。すなわち、成形型の底部を押し上げる向きに変形させる。押出し部３２ｃは曲面状であるので簡単に押し込むことができ、図１６に示すように変形し、この結果、超音波センサ３７は第２の成形型３２の凹部３２ａから押し出される。こうして、図１７に示すような超音波センサ３７を得ることができる。超音波センサ３７は、ベース部材２１と音響整合層３４と圧電素子２２とを備える。音響整合層３４はベース部材２１の上側に接合されている。圧電素子２２は、音響整合層３４とベース部材２１とに包み込まれるようにして超音波センサ３７の内部に配置されている。ベース部材２１の内側には空洞部分があり、圧電素子２２から引き出される配線は、この空洞部分を通じて他の部品に対して接続される。

（作用・効果）
本実施の形態においても実施の形態１〜３と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態では、互いに対向する両方の成形型に凹部を設け、そのうち一方にベース部材を保持させた状態で他方の凹部の内部に材料を配置して組み合わせて材料を硬化させたので、ここで示したように、圧電素子を内部に収めた複雑な形状の超音波センサであっても、安価な成形型で簡単に作製することができる。しかも、成形型からの製品取出しはきわめて簡単に行なうことができる。

なお、第１の成形型３１と第２の成形型３２とは、たとえば、厚み０．５ｍｍのポリプロピレンで形成した成形型を利用することができる。そのような成形型を用いることにすれば、成形型を安価に調達することができ、また、製品取出しの際に変形させやすく、なおかつ適度な強度および精度も実現できるので好ましい。第１の成形型３１と第２の成形型３２とは、別々の部材であってもよいが、図１８に示す成形型のように一体物であってもよい。

（成形型の一例）
図１８に示す成形型４６は、第１板状部４３と第２板状部４４とが蝶番部４５を介して開閉自在に接続された構造をしている。第１板状部４２には第１の成形部４１が平面的に複数配置されて設けられており、第２板状部４４には第２の成形部４２が平面的に複数配置されて設けられている。第１板状部４２と第２板状部４４とを当接させたときには第１の成形部４１と第２の成形部４２とが互いに各々組み合わさるようになっている。第１の成形部４１と第２の成形部４２とのうちいずれか少なくとも一方は可屈性のある部分を含み、これまでに説明した音響整合層の製造方法を行なうことができるようになっている。

このように、成形に必要な２種類の成形型を成形部として２つの面に備えた一体物の成形型を用いれば、成形型の取扱いが容易となり、互いに対向させるときの位置合わせのも必要なくなるので好ましい。このような成形型としても、ポリプロピレンからなる成形型を利用することができる。特にたとえば、厚み０．５ｍｍのポリプロピレンからなる成形型とすれば、取扱いが容易であり、なおかつ適度な強度および精度も実現できるため好ましい。このような一体型の成形型は実施の形態１〜４のいずれに採用してもよい。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明に基づく実施の形態１における超音波センサ用音響整合層の製造方法の第１の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１における超音波センサ用音響整合層の製造方法の第２の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１における超音波センサ用音響整合層の製造方法の第３の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１における超音波センサ用音響整合層の製造方法の第３の工程の変形例の説明図である。 本発明に基づく実施の形態２における超音波センサ用音響整合層の製造方法の第１の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態２における超音波センサ用音響整合層の製造方法の第２の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態２における超音波センサ用音響整合層の製造方法によって得られた超音波センサの断面図である。 本発明に基づく実施の形態３における超音波センサ用音響整合層の製造方法の第１の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態３における超音波センサ用音響整合層の製造方法の第２の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態３における超音波センサ用音響整合層の製造方法によって得られた超音波センサの断面図である。 本発明に基づく実施の形態４における超音波センサ用音響整合層の製造方法の第１の成形型で行なう第１の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態４における超音波センサ用音響整合層の製造方法の第１の成形型で行なう第２の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態４における超音波センサ用音響整合層の製造方法の第２の成形型で行なう工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態４における超音波センサ用音響整合層の製造方法の材料を成形し硬化させる工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態４における超音波センサ用音響整合層の製造方法のうち成形した成形物を取り出す工程の第１の説明図である。 本発明に基づく実施の形態４における超音波センサ用音響整合層の製造方法のうち成形した成形物を取り出す工程の第２の説明図である。 本発明に基づく実施の形態４における超音波センサ用音響整合層の製造方法によって得られた超音波センサの側面図である。 本発明に基づく超音波センサ用音響整合層の製造方法に使用可能な成形型の一例の断面図である。

符号の説明

１，３１ 第１の成形型、２，３２ 第２の成形型、３，３３ 材料、４，３４ 音響整合層、５，１５ 構成部材、６，１６，４６ 成形型、７，１７，３７ 超音波センサ、２１ ベース部材、２２ 圧電素子、３１ａ，３２ａ 凹部、３１ｂ 材料逃がし部、３２ｃ 押出し部、４１ 第１の成形部、４２ 第２の成形部、４３ 第１板状部、４４ 第２板状部、４５ 蝶番部。

Claims (4)

1. 可屈性のある部分を含む成形型が少なくとも一部を規定する空間内で音響整合層用の材料を成形し硬化させる工程と、
   前記成形型を変形させることによって成形物を取り出す工程とを含み、
   前記音響整合層用の材料を成形し硬化させる工程は、前記成形型と超音波センサの構成部材とを組み合わせて生じる空間内で前記音響整合層用の材料を成形し硬化させる、超音波センサ用音響整合層の製造方法。
2. 前記成形物を取り出す工程は、前記成形型の底部を押し上げる向きに変形させることによって行なう、請求項１に記載の超音波センサ用音響整合層の製造方法。
3. 前記成形型として、ポリプロピレンからなるものを用いる、請求項１に記載の超音波センサ用音響整合層の製造方法。
4. 前記成形型には材料逃がし部が設けられており、前記成形型と前記超音波センサの構成部材とを組み合わせて生じる空間内に入り切らない前記音響整合層用の材料を前記材料逃がし部に逃がす、請求項１に記載の超音波センサ用音響整合層の製造方法。

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