JP4439710B2

JP4439710B2 - 音響整合部材とその製造方法

Info

Publication number: JP4439710B2
Application number: JP2000317451A
Authority: JP
Inventors: 英樹両角; 大介別荘; 彪長井; 謙三黄地
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2020-10-18
Also published as: JP2002125296A

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とその製造方法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１１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放射される音のエネルギーの割合の関係を示した特性図である。音響インピーダンス約０．１１×１０⁶kg/m²sで、透過の割合が１となり反射のないことを示している。
【０００６】
このような理想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は、密度が軽く、かつ、音速が遅いことが必要である。
【０００７】
このため、従来の音響整合部材には図１２に示すように、樹脂材料４０にガラスバルーン４１を混ぜて固めた構成のものがある。ガラスバルーンは中空であるので、非常に軽いという特徴がある。これを樹脂にまぜて固めて得られた構造体は、樹脂だけで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、真比重０．１３g/cm³のガラスバルーン（商標名「３Ｍガラス発泡体」で入手できる）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】
また別の音響整合層と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ものがある。これの特徴は、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こということである。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、音速が早く、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】
さらに他の音響整合部材としてガラスの中空球体だけで構成するものがあり、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９の特性図上にプロットすると、Ｚ_BGは記号△に位置し、Ｚ_COMは記号□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_MCOM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、立体的な微笑片の集合体で音響整合部材を構成してあり、この音響整合部材は、微小片と液体を混合させ、前記液体を蒸発させて前記微小片の集合体を成形し、前記微小片が軟化する温度で加熱して、前記集合体を固形化することにより、製造する。
【００１３】
上記発明によれば、前記微小片同士の接触部分が多いので微小片同士の結合が強くなり、密度の増加を抑えながら、音の減衰を抑えることができる。
【００１４】
また、液体と微小片を混ぜることで、集合体における微小片を均一に分布させることができる。
【００１５】
【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、立体的な微小片を集合して構成してあり、微笑片が中空球体を粉砕した構造なので、容易に空隙をつくることができ、複数の微小片からなる集合体のかさ密度を小さくできる。また、表面積を大きくとれるので、微小片同士の接触面積を大きくでき、結合を強くできる。
【００２１】
また請求項２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、音響整合部材の密度は中空球体の粉砕度合で調整することを特徴とする方法としてあり、微小片の大きさを変えると、微小片同士の接触面積や空隙が変わり、複数の微小片の集合体である音響整合部材の密度を変えることができる。中空球体を粉砕して微小片を構成する場合は、中空球体にかかる荷重、時間で粉砕度合を管理できるので、所望の密度を有する音響整合部材を簡単に作ることができる。
【００２２】
本発明の請求項３にかかる音響整合部材は、請求項２記載の発明に加えて、中空球体の粉砕度合は粉砕後の体積と粉砕前の体積の比で調整する製造方法で作られる。
【００２３】
粉砕前の体積と粉砕後の体積を管理することで微小片の大きさを調整できるので、荷重、時間などのバラツキ要因が少なく、密度バラツキの少ない音響整合部材を作ることができる。また、荷重管理が必要ないので、精度の高いプレスを用いる必要がなく製造コストを低減できる。また、時間管理が必要ないので、製造時間を短縮できる。
【００２４】
【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。
【００２５】
（実施例１）
図１は本発明の第一の実施例における音響整合部材の製造装置の一例を示している。
【００２６】
微小片１は立体構造のガラスで構成される。立体構造については、特に限定するものではないが、かさ密度が材質の密度より小さいことが必要である。材質の密度に比べて微小片のかさ密度が小さいほど、微小片１の集合体に多くの空隙を設けることができるので、微小片１の集合体で構成される音響整合部材の密度を小さくできる。本実施例では、微小片１の大きさは、１００μm以下で、厚さは数μmである。ガラスの密度は２．２g/cm³で、音速は約５０００m/sである。しかし、微小片１を立体構造にしているので、微小片１の集合体のかさ密度は、石英ガラスの密度より小さくなる。なお、微小片１の材質は限定するものではなく、アルミ、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。
【００２７】
液体２は蒸留水である。水の比重は１g/cm³である。液体２は蒸留水でなくても構わない。例えば、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）と水の混合液にして粘性を持たせてもよい。粘性を有する液体を用いる場合は、微小片１と液体２との混合体を成型ケースで成型した後も、その形を容易に維持できる。
【００２８】
成型ケース３の材質はテフロンである。テフロンは滑りやすく、成型後の微小片１と液体２の混合体を余計な力をかけずに取り出すことができる。従って、取り出すときに成型品を潰すことを防止できる。
底蓋４は、成型ケース３の一方の口を閉じて、微小片１と液体２からなる混合体を漏れないようするもので、テフロンの板やセロハンテープなどで構成している。
【００２９】
押し棒５は微小片１と液体２の混合体を押して、液体２を取り除くとともに、微小片１の集合体を所定の密度に設定するものであり、本実施例では、材質をステンレスにしているが、特に限定するものではない。
【００３０】
本実施例の音響整合部材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。
【００３１】
ステップ１１の混合処理では、石英ガラスで構成される複数の微小片１と蒸留水からなる液体２をビーカ内で十分にかき混ぜる。十分にかき混ぜることにより混合体内での微小片１の分布は殆ど均一にできる。液体２の量は任意に設定できるが、本実施例では、複数の微小片１と液体２の混合体を十分に混ぜたときに、この混合体が成型ケース３に流し込める状態になるようにしている。
【００３２】
ステップ１２の成型処理では、微小片１と液体２の混合体を成型ケース３に入れ、押し棒５で、この混合体を押し、余分な液体２を成型ケース３と押し棒５との間の隙間から押し出すとともに、微小片１の集合体の密度を調整する。
【００３３】
ステップ１３の乾燥処理では、液体２が沸騰しない温度で成型ケース３ごと加熱し、液体２を蒸発させる。
【００３４】
ステップ１４の成型品取り出し処理では、底蓋４を開け、押し棒５で微小片１の集合体を押して、成型ケース３より取り出す。
【００３５】
ステップ１５の加熱処理では、微小片１の軟化温度で加熱し、微小片１の集合体を固形化する。
【００３６】
図３は、微小片１の集合体を固形化して構成された音響整合部材の内部構成図である。矢印で示した経路は音の伝搬経路を示している。図３に示すように、音は微小片１を通じて伝搬していくので、その伝搬経路は、音響整合部材の厚さよりも長くなり、音響整合部材の音速を遅くすることができる。微小片１は立体的な構造になっているため、空隙を作りながらも、複数の接触点を持つことができる。従って、接触面積が大きくなるので、微小片１同士の結合を強くすることができ、音の減衰を抑えることができる。また、微小片１と液体２を十分にかき混ぜた混合体を用いて成型したので、微小片１の分布が均一になり、音速むらを抑えることができる。
【００３７】
以上のように、微小片１と液体２を混合させることで、微小片１の分布を均一にし、構造体の密度むら、音速むらを抑えることができる。また、微小片１を立体構造にするので、空隙を設けることができ、音響整合部材の密度を小さくしながらも、微小片１同士の接合を強くするので、音の減衰を抑えることができる。
【００３８】
（実施例２）
図４は図２に示した音響整合部材の製造方法に用いる製造装置の一例を示している。
【００３９】
なお、図１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
液体２は蒸留水であり、その量は微小片１が沈殿しやすいように、微小片１の総体積よりも十分に多くしている。蒸留水の比重は１g/cm³であり、微小片１の材質であるガラスの密度２．２g/cm³より小さいので、微小片１は沈殿することができる。微小片１の集合体を沈殿させるので、微小片１に余計な加重を与えることがなく、加重により生じる密度むらを小さくできる。
【００４０】
また、重さ、大きさの異なる微小片１の集合体を沈殿により成型する場合、重力により重い微小片から沈殿し成型される。従って、複数の密度を有する層からなる音響整合部材を作ることができる。
【００４１】
以上のように、微小片１を沈殿させて、音響整合部材を成型する方法は、微小片１の分布を均一にする以外にも、大きさの異なる微小片を有する場合には、層状に音響インピーダンスの異なる音響整合部材を構成することができる。
【００４２】
（実施例３）
図５、図６は本発明の一実施例である音響整合部材を構成する微小中空球体を粉砕する前の状態を示している。
【００４３】
図５において、微小中空球体３１はガラスバルーン（商標名「３Ｍガラス発泡体」）で構成されている。このガラスバルーンのかさ密度は０．１３g/cm³で、直径は１００μm前後で、厚さは数μm程度である。
【００４４】
金属ケース３２、押し棒３３はステンレスで構成されているが、材質はこれに限定するものではない。ｈ１は押し棒３３で押していないときの、微小中空球体３１の集合体の高さである。
【００４５】
図６は、図５の状態から押し棒を油圧プレスで所定高さｈ２まで押した状態を示している。微小中空球体３１を圧縮することで、微小中空球体３１は粉砕される。この粉砕された微小中空球体３１のかけらは球体の一部であるので、立体構造を有する微小片３４を得ることができる。
【００４６】
なお、粉砕されなかった微小中空球体３１については、微小片３４と選別すれば、粉砕の際に再利用することができる。
【００４７】
図７に選別した後の状態を示す。液体３５は蒸留水であり、その密度（１ｋg/cm³）は、微小中空球体３１の密度と微小片３４の密度の間である。つまり、液体３５より密度の小さい微小中空球体３１は浮き、液体３５より密度の大きい微小片３４は沈むので、選別することができる。
【００４８】
図６に示した微小片３４の大きさは、微小中空球体３１を圧縮して粉砕する前の体積と、粉砕後の体積の比、すなわちｈ１とｈ２の比で調整することができる。
【００４９】
図８に、ｈ２／ｈ１を変えたときに得られる微小片３４の顕微鏡写真を示す。（ａ）はｈ２／ｈ１＝０．２の時の微小片３４である。（ｂ）はｈ２／ｈ１＝０．３３の時の微小片３４である。（ｃ）はｈ２／ｈ１＝０．５の時の微小片３４である。
【００５０】
図８に示すように、微小片３４の大きさは微小中空球体３１を圧縮して粉砕する前の体積と、粉砕後の体積の比で制御することができる。
【００５１】
図９は、図６〜図８に示した微小片の製造方法を用いて音響整合部材を構成した場合の、ｈ２／ｈ１と密度、およびｈ２／ｈ１と音の減衰率の関係を示している。なお、音の減衰率が大きいほど音の出力が小さくなるものとする。
【００５２】
図９に示すように、ｈ２／ｈ１を小さくするほど、音響整合部材の密度は大きくなり、音の減衰率は小さくなる。つまり、ｈ２／ｈ１を小さくすると、微小片の大きさは小さくなり、わずかな空隙でも微小片が入りやすくなる。従って、音響整合部材の空隙が少なくなり、密度が大きくなる。しかし、微小片が隙間なく入ることにより、微小片同士の接触部分が多くなり、結合は強くなるので、音の減衰は抑えることができる。なお、図９に示した音響整合部材の特性は一例であり、これに限定するものではない。
【００５３】
図１０は、本実施例において、ｈ２／ｈ１＝０．３３で生成した微小片の集合体で構成された音響整合部材の断面構造を示す顕微鏡写真である。
【００５４】
この音響整合部材の製造方法は、図２と同様である。この音響整合部材は、比重０．５５g/cm³、音速１４００m/s、音響インピーダンス０．７７×１０⁶kg/m²sとなり、従来例に示した特願平１−２５５１２４のガラスバルーンのみで構成してなる音響整合部材よりも音響インピーダンスが大きいものの、音の減衰が小さいため、出力する音の大きさを大きくすることが可能である。
【００５５】
実施例３は本発明の請求項５〜７の一実施例に相当する。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の音響整合部材は、微小片を立体構造にしたものであり、微小片同士の間に空隙を設けることができるので、音響整合部材の密度を小さくする効果がある。また、本発明の音響整合部材の製造方法は、微小片を液体と混合することで、音響整合部材における微小片の分布を均一にし、空隙を有していて密度の小さい音響整合部材が得られる。
【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製造装置の構成図
【図２】同音響整合部材の製造方法のフローチャート
【図３】本発明の実施例１における音響整合部材の内部構成図
【図４】本発明の実施例２における音響整合部材の製造装置の構成図
【図５】本発明の実施例３における微小中空球体を粉砕する前の状態を示す説明図
【図６】本発明の実施例３における微小中空球体を粉砕した後の状態を示す説明図
【図７】本発明の実施例３における選別方法で分離した微小中空球体と微小片を示す構造図
【図８】（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施例３において、圧縮比率を変えて粉砕した微小片の構造を示す顕微鏡写真
【図９】本発明の実施例３における整合音響部材の密度、減衰率と微小中空球体の圧縮比率の関係を示す特性図
【図１０】本発明の実施例３における音響整合部材の構造を示す顕微鏡写真
【図１１】従来の音響整合部材の音響インピーダンスと音の透過の割合の関係を示す特性図
【図１２】従来の音響整合部材の内部構成図
【符号の説明】
１微小片
２液体
３成型ケース
４底蓋

Claims

立体的な微小片の集合体からなる音響整合部材であって、前記微小片は中空球体を粉砕した構造である音響整合部材。
請求項１記載の音響整合部材を製造する音響整合部材の製造方法であって、中空球体の粉砕度合で密度を調整することを特徴とする音響整合部材の製造方法。
中空球体の粉砕度合は粉砕前の体積と粉砕後の体積の比で制御することを特徴とする請求項２記載の音響整合部材の製造方法。