JP5956157B2 - 音響整合層を用いた空中用超音波送受波器。 - Google Patents

Description

本発明は、シリコーンオイルを含む音響整合層の製造方法と、この音響整合層を用いた空中用超音波送受波器に関するものである。

空中用超音波送受波器において音響整合層は、電圧と歪がカップリングした圧電素子と気体との間の音響インピーダンスのマッチングを改善し、超音波の送受信効率を高めるために用いられている。
一般的なセラミック圧電素子を用い、空気中で超音波の送受信を行う場合を考えると、この音響インピーダンスＺの最適値は、約１．１×１０^５ｋｇ／ｍ^２ｓとなる。このＺを満たす材料には、音速が遅い低密度の固体であることが要求される。

このため、従来は、金属に比べて音速の遅い樹脂と、低密度の中空体や発泡体とを組み合わせた音響整合層の利用が行われている。

特開平８−６５７９５

超音波送受波器の内部には圧電素子に電圧を印加するために導線などによって電気的接触をとっている。このため、超音波送受波器内部に水が入ると、内部の部品の腐食、圧電素子や音響整合層の吸湿による音響特性の変化を生じる恐れがあり、超音波送受波器の防水性を高めることが課題となっている。

音響整合層を有する超音波送受波器においては、超音波の放射面である音響整合層の撥水効果を高めることが防水性を高める上で重要となる。本発明は、前述の課題を解決するために、高い撥水効果を有するシリコーンオイルを音響整合層材料に加えることで音響整合層の撥水効果を高めた。

本発明の音響整合層は、音響整合層を用いる超音波送受波器が利用されている様々な分野に適用できる。

本発明の実施の形態に関わる超音波送受波器の概略図

請求項１に記載の第１の発明は、従来の音響整合層の主要材料である熱硬化樹脂と中空体に加え、高い撥水効果を有するシリコーンオイルを加えることで、音響整合層の撥水効果を高め、更に音響整合層の表面近傍のシリコーンオイルを硬化させ、音響整合層内部に含まれるシリコーンオイルの外部への拡散を抑制する。これにより、音響整合層内部のシリコーンオイルの含有率を長期にわたり安定させることが可能となり、高い撥水効果を保持できる。

請求項２に記載の第２の発明は、第１の発明の音響整合層用を超音波送受波器に用いることで、高い防水性を超音波送受波器に付与することができる。

使用した音響整合層の材料には、シリコーンオイルと、熱硬化樹脂の中で耐水性や耐薬品性に優れるエポキシ樹脂と、平均直径が超音波波長の１０分の１以下の樹脂中空体とを用いた。

しかし、ここではエポキシ樹脂にこだわるものではなく、目的が達せられれば他の熱硬化樹脂を用いても差し支えない。

また、中空体に関しても、樹脂からなる中空体にこだわるものでなく、目的が達せられればシリカからなる中空体を用いても差し支えない。

上記の音響整合層の材料の配分の内、シリコーンオイルの質量をエポキシ樹脂の質量の４０％以下とし、中空体の量を音響整合層の密度が０．３〜０．６［ｇ／ｃｍ^３］となるようにした。

音響整合層を作製するための熱硬化反応は、上記の材料の密度分布が均一になるように攪拌した混合物を、乾燥炉を用いて７０〜１００℃の温度範囲で加熱することで行った。仮に、前記の熱硬化反応を加熱初期から１００℃以上の環境で行った場合、エポキシ樹脂の熱硬化反応が急激に進み、生じる反応熱により混合物内部が高温となり、混合物が膨張するため、音響整合層内部に空洞が生じる原因となる。

ただし、熱硬化反応を行う温度条件は、用いる樹脂ごとに反応熱が異なることと、前述の混合物の体積に対する表面積の割合を増やすことで放熱効率が高まり音響整合層内部の空洞化を抑制できるため、目的が達せられれば異なる温度条件で行っても差し支えない。

製造した音響整合層表面にシリコーンの硬化膜を形成する場合には、シリコーンの硬化に適した量と濃度の硬化剤を音響整合層表面に塗布あるいは散布し、音響整合層表面近傍のシリコーンを硬化させる。

図１は本発明の超音波送受波器の実施の形態に関わる超音波送受波器の構成を示す概略図を表す。図１を参照して、圧電素子２は、ＰＺＴ系のセラミックからなる。この超音波送受波器を構成するために、下記の３つの工程を行う。

第１工程は、本発明の音響整合層１に圧電素子２を貼り合わせた後、これを両端に開口を有する筒状ケース５の一端に固定したユニモルフ振動子を構成する。
ここで、音響整合層１と圧電素子２の間の接着と、音響整合層１と筒状ケース５の間の接着には、熱硬化型のエポキシ樹脂を用い、乾燥炉内で１００℃で１時間加熱することで行った。

第２工程は、圧電素子２に電圧を印加するためのリードを、圧電素子２と音響整合層１の接着面側から一部折り返した電極に入出力リード６ｂ、接着面の反対の面に入出力リード６ａを半田付け等をして取り出す。

第３工程は、圧電素子２の上面に発泡シリコン等から成る吸音材３を載置して、その上からシリコン材、ウレタン材等から成る封止剤４を有底筒状ケース５内部に充填し構成する。

上記の３つの工程により、ユニモルフ振動子の振動によって超音波の送受信を行う超音波送受波器となる。

１ 音響整合層
２ 圧電素子
３ 吸音材
４ 封止材
５ 両端に開口を有する筒状ケース
６ａ 入出力リード
６ｂ 入出力リード

Claims (2)

1. 気体を介した超音波の送受信を行う超音波送受波器における、
   超音波の伝播損失を抑えて送受信効率を高めるために気体と圧電素子との間に挟み音響インピーダンスのマッチングを行う音響整合層において、
   前記音響整合層は、樹脂またはシリカからなる中空体と、熱硬化樹脂と、シリコーンオイルと、を主成分とし、
   前記音響整合層の表面近傍にシリコーンの硬化膜を形成したことを特徴とする音響整合層。
2. 請求項１に記載の音響整合層を用いたことを特徴とする空中用超音波送受波器。

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