JP6751898B2 - Laminates, ultrasonic transmitters and receivers and ultrasonic flowmeters - Google Patents
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Description
本開示は、圧電体および音響整合層を含む積層体、超音波送受波器および超音波流量計に関する。 The present disclosure relates to a laminate including a piezoelectric body and an acoustic matching layer, an ultrasonic transmitter / receiver, and an ultrasonic flow meter.
近年、超音波が伝搬路伝達する時間を計測し、流体の移動速度を測定して流量を計測する超音波流量計がガスメータ等に利用されつつある。超音波流量計は、一般に圧電振動子を備え、圧電振動子によって超音波を検出する。流体が気体である場合、気体と圧電振動子との間の音響インピーダンスの差が大きいため、気体を伝搬する超音波は圧電振動子との界面で反射されやすい。このため、超音波を圧電振動子に効率よく入射させるため、圧電振動子と気体との界面に音響整合層が設けられる場合がある。 In recent years, an ultrasonic flow meter that measures the time for ultrasonic waves to propagate in a propagation path, measures the moving speed of a fluid, and measures the flow rate is being used for gas meters and the like. An ultrasonic flow meter generally includes a piezoelectric vibrator, and detects ultrasonic waves by the piezoelectric vibrator. When the fluid is a gas, the difference in acoustic impedance between the gas and the piezoelectric vibrator is large, so that the ultrasonic waves propagating in the gas are easily reflected at the interface with the piezoelectric vibrator. Therefore, in order to efficiently inject ultrasonic waves into the piezoelectric vibrator, an acoustic matching layer may be provided at the interface between the piezoelectric vibrator and the gas.
特許文献1は、音響整合層として用いることのできる材料を開示している。特許文献2は、2つの音響整合層を備えた超音波送受波器を開示している。 Patent Document 1 discloses a material that can be used as an acoustic matching layer. Patent Document 2 discloses an ultrasonic wave transmitter / receiver having two acoustic matching layers.
従来の超音波送受波器用では、音響整合層と超音波の放射媒体との音響インピーダンスの整合性が十分ではないため高い感度が得られなかった。本開示は、適切な音響特性の音響整合層を含む積層体、超音波送受波器および超音波流量計を提供する。 For conventional ultrasonic transmitters and receivers, high sensitivity cannot be obtained because the acoustic impedance matching between the acoustic matching layer and the ultrasonic radiation medium is not sufficient. The present disclosure provides a laminate, an ultrasonic transmitter / receiver, and an ultrasonic flow meter including an acoustic matching layer having appropriate acoustic characteristics.
本開示の積層体は、圧電体と、前記圧電体と、直接または他の層を介して、接して配置されている第1音響整合層であって、複数のクローズドポアを含むプラスチック独立気泡発泡体を含み、前記クローズドポアの平均ポア径が、1μm以上100μm以下であり、10kg/m3以上100kg/m3以下の密度を有する第1音響整合層とを備える。 The laminate of the present disclosure is a first acoustic matching layer that is arranged in contact with the piezoelectric body and the piezoelectric body directly or via another layer, and is a plastic closed cell foam containing a plurality of closed pores. It includes a body, and includes a first acoustic matching layer having an average pore diameter of 1 μm or more and 100 μm or less and a density of 10 kg / m 3 or more and 100 kg / m 3 or less.
本開示の積層体、超音波送受波器および超音波流量計によれば、適切な音響特性の音響整合層を含むため、高感度な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。 According to the laminate, the ultrasonic wave transmitter and the ultrasonic flow meter of the present disclosure, a highly sensitive ultrasonic wave transmitter and the ultrasonic flow meter can be realized because the acoustic matching layer having appropriate acoustic characteristics is included.
本開示の積層体、超音波送受波器および超音波流量計の概要は以下の通りである。 The outline of the laminate, the ultrasonic wave transmitter / receiver, and the ultrasonic flow meter of the present disclosure is as follows.
[項目1]
圧電体と、
前記圧電体と、直接または他の層を介して、接して配置されている第1音響整合層であって、
複数のクローズドポアを含むプラスチック独立気泡発泡体を含み、
前記クローズドポアの平均ポア径が、1μm以上100μm以下であり、
10kg/m3以上100kg/m3以下の密度を有する第1音響整合層と
を備える、
積層体。
[Item 1]
Piezoelectric and
A first acoustic matching layer that is arranged in contact with the piezoelectric body directly or via another layer.
Contains plastic closed-cell foam containing multiple closed pores,
The average pore diameter of the closed pore is 1 μm or more and 100 μm or less.
A first acoustic matching layer having a density of 10 kg / m 3 or more and 100 kg / m 3 or less is provided.
Laminated body.
[項目2]
前記第1音響整合層の音響インピーダンスが5×103kg/s・m2以上350×103kg/s・m2以下の範囲内にある、項目1に記載の積層体。
[Item 2]
The laminate according to item 1, wherein the acoustic impedance of the first acoustic matching layer is in the range of 5 × 10 3 kg / s ・ m 2 or more and 350 × 10 3 kg / s ・ m 2 or less.
[項目3]
前記クローズドポアの平均隣接間距離が50nm以上1μm以下である、項目1または2に記載の積層体。
[Item 3]
The laminate according to item 1 or 2, wherein the average distance between adjacent closed pores is 50 nm or more and 1 μm or less.
[項目4]
前記第1音響整合層の音速が500m/s以上である、項目1から3のいずれか1項に記載の積層体。
[Item 4]
The laminate according to any one of items 1 to 3, wherein the sound velocity of the first acoustic matching layer is 500 m / s or more.
[項目5]
前記プラスチック独立気泡発泡体は、ポリメタクリルイミド発泡体である、項目1から4のいずれかに記載の積層体。
[Item 5]
The laminate according to any one of items 1 to 4, wherein the plastic closed-cell foam is a polymethacrylicimide foam.
[項目6]
前記第1音響整合層の厚さが前記第1音響整合層中を伝播する音波の波長λの略1/4である、項目1から5のいずれかに記載の積層体。
[Item 6]
The laminate according to any one of items 1 to 5, wherein the thickness of the first acoustic matching layer is approximately 1/4 of the wavelength λ of the sound wave propagating in the first acoustic matching layer.
[項目7]
前記圧電体と前記第1音響整合層との間に位置する第2音響整合層を更に備え、
前記第2音響整合層は、50kg/m3以上1500kg/m3以下であり、かつ、前記第1音響整合層よりも大きい密度を有する、項目1から6のいずれかに記載の積層体。
[Item 7]
A second acoustic matching layer located between the piezoelectric body and the first acoustic matching layer is further provided.
The laminate according to any one of items 1 to 6, wherein the second acoustic matching layer is 50 kg / m 3 or more and 1500 kg / m 3 or less, and has a density higher than that of the first acoustic matching layer.
[項目8]
前記第1音響整合層の音響インピーダンスZaと、前記第2音響整合層の音響インピーダンスZbとの関係が、Za<Zbである、項目7に記載の積層体。
[Item 8]
The laminate according to item 7, wherein the relationship between the acoustic impedance Za of the first acoustic matching layer and the acoustic impedance Zb of the second acoustic matching layer is Za <Zb.
[項目9]
前記第2音響整合層の厚さが、前記第2音響整合層中を伝播する音波の波長λの略1/4である項目7または8に記載の積層体。
[Item 9]
Item 7. The laminate according to item 7 or 8, wherein the thickness of the second acoustic matching layer is approximately 1/4 of the wavelength λ of the sound wave propagating in the second acoustic matching layer.
[項目10]
前記第1音響整合層は、前記圧電体と直接接合されている、項目1から6のいずれかに記載の積層体。
[Item 10]
The laminate according to any one of items 1 to 6, wherein the first acoustic matching layer is directly bonded to the piezoelectric body.
[項目11]
前記第2音響整合層は、前記第1音響整合層、および、前記圧電体と直接接して配置されている、項目7に記載の積層体。
[Item 11]
Item 7. The laminate according to item 7, wherein the second acoustic matching layer is arranged in direct contact with the first acoustic matching layer and the piezoelectric body.
[項目12]
前記第1音響整合層と前記第2音響整合層との間に、1000kg/m3以上の密度を
有する構造支持層をさらに備える、項目7に記載の積層体。
[Item 12]
Item 7. The laminate according to item 7, further comprising a structural support layer having a density of 1000 kg / m 3 or more between the first acoustic matching layer and the second acoustic matching layer.
[項目13]
前記構造支持層の厚さが、前記構造支持層中を伝播する音波の波長λの1/8未満である、項目12に記載の積層体。
[Item 13]
The laminate according to
[項目14]
項目1から13のいずれかに記載の積層体を備えた超音波送受波器。
[Item 14]
An ultrasonic wave transmitter / receiver comprising the laminate according to any one of items 1 to 13.
[項目15]
項目1から6のいずれかに記載の積層体と、
天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に固定され、
前記第1音響整合層は前記天板の外面に固定されている、超音波送受波器。
[Item 15]
With the laminate according to any one of items 1 to 6.
A main body having a convex shape having a top plate and a case having a lid plate covering the convex opening are further provided.
The piezoelectric body is located in the convex shape and is fixed to the inner surface of the top plate.
An ultrasonic wave transmitter / receiver in which the first acoustic matching layer is fixed to the outer surface of the top plate.
[項目16]
項目7から9のいずれかに記載の積層体と、
天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に固定され、
前記第2音響整合層は前記天板の外面に固定され、
前記第1音響整合層は前記第2音響整合層に接している、超音波送受波器。
[Item 16]
With the laminate according to any one of items 7 to 9.
A main body having a convex shape having a top plate and a case having a lid plate covering the convex opening are further provided.
The piezoelectric body is located in the convex shape and is fixed to the inner surface of the top plate.
The second acoustic matching layer is fixed to the outer surface of the top plate,
The first acoustic matching layer is an ultrasonic wave transmitter / receiver in contact with the second acoustic matching layer.
[項目17]
前記ケースは金属材料によって構成されている項目15または16に記載の超音波送受波器。
[Item 17]
The ultrasonic wave transmitter / receiver according to item 15 or 16, wherein the case is made of a metal material.
[項目18]
被測定流体が流れる流路と、
前記流路に配置された、超音波信号を送受信する一対の超音波送受波器であって、項目14から16のいずれか1項に記載の超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測部と、
前記時間計測部からの信号に基づいて前記流路の流量を算出する演算部と、
を備えた超音波流量計。
[Item 18]
The flow path through which the fluid to be measured flows and
A pair of ultrasonic wave transmitters / receivers arranged in the flow path for transmitting / receiving ultrasonic signals, the ultrasonic wave transmitter / receiver according to any one of items 14 to 16.
A time measuring unit that measures the ultrasonic wave propagation time between the pair of ultrasonic wave transmitters and receivers,
A calculation unit that calculates the flow rate of the flow path based on the signal from the time measurement unit, and
Ultrasonic flowmeter equipped with.
以下、図面を参照しながら、本開示の積層体、超音波送受波器および超音波流量計の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the laminate, ultrasonic wave transmitter / receiver, and ultrasonic flow meter of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
以下、本実施形態の超音波送受波器および超音波流量計の一例を詳細に説明する。
(First Embodiment)
Hereinafter, an example of the ultrasonic wave transmitter / receiver and the ultrasonic flow meter of the present embodiment will be described in detail.
[超音波流量計の構成]
図1は本開示の超音波流量計の概略的な構成を示す。図1に示すように、超音波流量計は、被測定流体が流れる流路と、流路に配置された一対の超音波送受波器11および12と、時間計測部31と、演算部32と、を備える。管壁13によって規定される流路には流体が流速Vにて図に示す方向に流れている。この流路を流れる流体の流量が測定される。管壁13には、一対の超音波送受波器(第1および第2の超音波送受波器)11、12が相対して設置されている。超音波送受波器11、12は、電気エネルギー/機械エネルギー変換素子である圧電セラミック等の圧電振動子を含み、圧電ブザーまたは圧電発振子と同様に共振特性を示す。まず、超音波送受波器11を超音波送波器として用い、超音波送受波器12を超音波受波器として用いる。時間計測部31が超音波送受波器11の圧電振動子に共振周波数近傍の周波数の交流電圧を印加すると、超音波送受波器11は管内の流体中に同図中のL1で示す伝搬経路に沿って超音波を放射する。超音波送受波器12は流体中を伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。続いて、反対に超音波送受波器12を超音波送波器として用い、超音波送受波器11を超音波受波器として用いる。時間計測部31が超音波送受波器12の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印加することにより、超音波送受波器12は管内の流体中に同図中のL2で示す伝搬経路に沿って超音波を放射し、超音波送受波器11は伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。このように、超音波送受波器11、12は、受波器としての役目と送波器としての役目を果たす。
[Configuration of ultrasonic flowmeter]
FIG. 1 shows a schematic configuration of the ultrasonic flowmeter of the present disclosure. As shown in FIG. 1, the ultrasonic flowmeter includes a flow path through which the fluid to be measured flows, a pair of ultrasonic wave transmitters and
このような超音波流量計では、連続的に交流電圧を印加すると超音波送受波器から連続的に超音波が放射されて伝搬時間を測定することが困難になるので、通常はパルス信号を搬送波とするバースト電圧信号を駆動電圧として用いる。時間計測部31が駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器11に印加して超音波送受波器11から超音波バースト信号を放射すると、この超音波バースト信号は距離がLの伝搬経路L1を伝搬してt時間後に超音波送受波器12に到達する。超音波送受波器12では、伝達して来た超音波バースト信号のみを高いS/N比で電気バースト信号に変換することができる。時間計測部31は、この電気バースト信号を電気的に増幅して、再び超音波送受波器11に印加して超音波バースト信号を放射する。この装置をシング・アラウンド装置と呼び、超音波パルスが超音波送受波器11から放射され伝搬路を伝搬して超音波送受波器12に到達するのに要する時間をシング・アラウンド周期といい、その逆数をシング・アラウンド周波数という。図1において、管の中を流れる流体の流速をV、流体中の超音波の速度をC、流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向の角度をθとする。超音波送受波器11を送波器、超音波送受波器12を受波器として用いたときに、超音波送受波器11から出た超音波パルスが超音波送受波器12に到達する超音波伝搬時間であるシング・アラウンド周期をt1、シング・アラウンド周波数をf1とすれば、次式(1)が成立する。
f1=1/t1=(C+Vcosθ)/L・・・(1)
In such an ultrasonic flow meter, when an AC voltage is continuously applied, ultrasonic waves are continuously radiated from the ultrasonic transmitter / receiver, making it difficult to measure the propagation time. Therefore, a pulse signal is usually used as a carrier wave. The burst voltage signal is used as the drive voltage. When the
f1 = 1 / t1 = (C + Vcosθ) / L ... (1)
逆に、超音波送受波器12を送波器として、超音波送受波器11を受波器として用いたときの超音波伝搬時間であるシング・アラウンド周期をt2、シング・アラウンド周波数をf2とすれば、次式(2)の関係が成立する。
f2=1/t2=(C−Vcosθ)/L・・・(2)
On the contrary, when the ultrasonic wave transmitter /
f2 = 1 / t2 = (C-Vcosθ) / L ... (2)
したがって、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δfは、次式(3)となり、超音波の伝搬経路の距離Lと周波数差Δfから流体の流速Vを求めることができる。
Δf=f1−f2=2Vcosθ/L・・・(3)
Therefore, the frequency difference Δf between the two singing around frequencies is given by the following equation (3), and the flow velocity V of the fluid can be obtained from the distance L of the ultrasonic propagation path and the frequency difference Δf.
Δf = f1-f2 = 2Vcosθ / L ... (3)
すなわち、超音波の伝搬経路の距離Lと周波数差Δfから流体の流速Vを求めることができ、その流速Vから流量を調べることができる。 That is, the flow velocity V of the fluid can be obtained from the distance L of the ultrasonic propagation path and the frequency difference Δf, and the flow velocity can be investigated from the flow velocity V.
超音波流量計は、時間計測部31および演算部32を備える。時間計測部31は、超音波送受波器11、12を駆動するバースト電圧信号を生成する駆動回路および超音波送受波器11、12で変換された電気バースト信号を電気的に増幅する受信回路を含み、上述した手順によって、超音波伝搬時間であるシング・アラウンド周期t1およびt2を求める。演算部32は、求めたシング・アラウンド周期t1およびt2と式(3)の関係から、流体の流速および流量を算出する。時間計測部31および演算部32は、例えば、マイコン、メモリ、およびメモリに記憶され、上述した演算を行う手順を規定したプログラムによって構成される。時間計測部31および演算部32の一部は、電子回路等によって構成されていてもよい。
The ultrasonic flowmeter includes a
[超音波送受波器]
図2は、本開示の超音波流量計に用いる超音波送受波器11の一例を示す断面図である。超音波送受波器12も超音波送受波器11と同じ構造を備えている。超音波送受波器11は、積層体28とケース29とを備える。
[Ultrasonic wave transmitter / receiver]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of an ultrasonic wave transmitter /
積層体28は、圧電体21と第1音響整合層26とを備える。第1音響整合層26は直接、または、他の層を介して圧電体21と接している。圧電体21は、圧電セラミックスまたは単結晶によって構成され、厚さ方向に分極されている。また、圧電体21は厚さ方向の上下面に電極を有しており、電極に電圧を印加することによって、超音波振動を発生する。
The laminate 28 includes a
ケース29は、天板22uを有する凸形状を備えた本体22と、蓋板23とを含む。本体22および蓋板23とは導電材料、例えば外部の流体に対して信頼性が確保できる金属等の材料で形成されている。圧電体21は、本体22の凸形状内に位置し、天板22uの内面22aに貼り付けられている。本体22の凸形状の底に位置する開口は、蓋板23で覆われ、本体22の内空間が封止されている。このため、ケース29は気体遮蔽性を有し、種々の流体に超音波送受波器11が曝されても、内部の圧電体21が劣化することがなく、高い信頼性を備える。蓋板23には駆動端子24aおよび24bが取り付けられている。2つの駆動端子24aおよび24bのうち、一方の駆動端子24aは蓋板23および本体22を介して圧電体21の上面電極に電気的に接続されている。他方の駆動端子24bは、絶縁材25で蓋板23と電気的に絶縁されているとともに、本体22内で圧電体21の下面電極に電気的に接続されている。
The
第1音響整合層26は、流体に超音波を送波、または流体を伝搬してきた超音波を受波する。第1音響整合層26は、駆動交流電圧により励振される圧電体21の機械的振動を外部の媒体に対して超音波として効率よく出力し、到達した超音波を振動として効率よく圧電体21に伝える。これにより、電圧が効率よく超音波に変換され、超音波が効率よく電圧に変換される。第1音響整合層26は本体22の天板22uの外面22bに貼り付けられている。
The first
圧電体21および流体の音響インピーダンスを、それぞれZ1、Z2とし、第1音響整合層26に求められる理想的な音響インピーダンスをZ3とすると、音響インピーダンスZ3は、Z3=√(Z1・Z2)で求められる。圧電体21の音響インピーダンスは約30×106kg/m2・s程度であり、水素の音響インピーダンスは110kg/m2・s程度である。上述した数値をこの式に代入すると、Z3=57×103(kg/m2・s)と求められる。また、音響インピーダンスは次式(4)で定義される。
音響インピーダンス=(密度)×(音速)・・・(4)
Assuming that the acoustic impedances of the
Acoustic impedance = (density) x (sound velocity) ... (4)
本実施形態において、第1音響整合層26は、10kg/m3以上100kg/m3以下の密度を有する。また、第1音響整合層26を伝搬する音速は、500m/s以上であり、望ましくは、500m/s以上3500m/s以下である。この範囲の密度および音速を適切に選択することにより、第1音響整合層26の音響インピーダンスは5×103kg/s・m2以上350×103kg/s・m2以下の範囲内の値を取ることができる。
In the present embodiment, the first
このような物性を備える第1音響整合層26に適した材料としては、例えば、硬質微孔体が挙げられる。例えば、第1音響整合層26は、硬質プラスチック独立気泡(クローズドセル)発泡体である。硬質プラスチック独立気泡発泡体の例としては、ポリメタクリルイミド発泡体を含む。ポリメタクリルイミド発泡体は、例えば、商標名ROHACELL(R)で、Roehm Gmbh & Co KGから販売されており、日本国内では、ダイセル・エボニック株式会社から購入することができる。ROHACELLの密度は、10kg/m3以上100kg/m3以下の範囲内であるとカタログに公表されている。
Examples of materials suitable for the first
図5および6に、プラスチック独立気泡発泡体の表面のSEM(走査型電子顕微鏡)写真の一例を示す。この写真で、比較的白く見えているのが、孔、すなわち、独立気泡(クローズドポア)であり、独立気泡と、独立気泡の間で、比較的黒く見えているのが、隔壁(プラスチック)である。したがって、クローズドポアの隣接間距離は、隔壁の厚みの最も薄い部分に相当する。 FIGS. 5 and 6 show an example of a SEM (scanning electron microscope) photograph of the surface of a plastic closed cell foam. In this photo, the holes, that is, closed pores, appear relatively white, and the partition walls (plastic) appear relatively black between the closed cells. is there. Therefore, the distance between adjacent closed pores corresponds to the thinnest part of the partition wall.
ポリメタクリルイミド発泡体におけるクローズドポアの平均ポア径は1μm以上100μm以下であることが望ましい。ここでポア径とは、電子顕微鏡による観察視野において、クローズドポアのそれぞれの内接円の直径で定義する(図5参照)。また、平均ポア径は、少なくとも100個のクローズドポアを含む電子顕微鏡による観察視野におけるクローズドポアのポア径の平均値で定義する。 It is desirable that the average pore diameter of the closed pores in the polymethacrylicimide foam is 1 μm or more and 100 μm or less. Here, the pore diameter is defined by the diameter of each inscribed circle of the closed pores in the field of view observed by an electron microscope (see FIG. 5). Further, the average pore diameter is defined by the average value of the pore diameters of the closed pores in the field of view observed by an electron microscope including at least 100 closed pores.
また、クローズドポアの平均隣接間距離は、少なくとも10個のクローズドポアを含む電子顕微鏡による観察視野において、隣接間距離を測定し、それを平均する(図6参照)。クローズドポアの隣接間距離は50nm以上1μm以下の範囲内で均一に分布していることが望ましい。 Further, the average distance between adjacent pores is measured by measuring the distance between adjacent neighbors in an observation field of view with an electron microscope including at least 10 closed pores and averaging them (see FIG. 6). It is desirable that the distance between adjacent closed pores is uniformly distributed within the range of 50 nm or more and 1 μm or less.
計算によるシミュレーションおよび以下で説明する実験結果によれば、クローズドポアの平均ポア径およびクローズドポアの隣接間距離は音響伝搬特性に影響する。良好な音響伝搬特性を実現するためにこれらの値は上述した範囲にあることが望ましい。クローズドポアの隣接間距離は、独立気泡の隔壁の平均厚さに相当する。 According to the computational simulation and the experimental results described below, the average pore diameter of the closed pores and the distance between the adjacent closed pores affect the acoustic propagation characteristics. It is desirable that these values are in the above range in order to achieve good acoustic propagation characteristics. The distance between adjacent closed pores corresponds to the average thickness of the closed cell bulkhead.
また、ポリメタクリルイミド発泡体は、剛直で強固な分子構造を備えるため、他の硬質発泡体に比べ、機械的強度および加工性に優れる。 Further, since the polymethacrylicimide foam has a rigid and strong molecular structure, it is superior in mechanical strength and workability as compared with other hard foams.
第1音響整合層26は、第1音響整合層26中を伝搬する音波の波長λの略1/4の厚さを有していることが望ましい。これにより、第1音響整合層26の2つの主面間で反射し圧電体21へ入射する音波は位相が1/2ずれることによって弱められる。よって、不要な反射によって遅れて圧電体21へ入射する音波の強度を小さくし、反射波の影響を抑制することができる。
It is desirable that the first
本実施形態では、ケース29の天板22uは、積層体28を支持する構造支持層として機能する。天板22uは、1000kg/m3以上の密度を有することが望ましい。また、天板22uの厚さは、天板22uを伝搬する音波の波長λの1/8以下の厚さを有している。この条件を天板22uが満たすことによって、天板22uにおける音波の反射等が抑制される。
In the present embodiment, the
本実施形態の超音波送受波器は、例えば以下の手順により、製造することができる。まず、図3Aに示すように、ケース29、圧電体21及び第1音響整合層26を用意する。第1音響整合層26は、予め、所望の厚さを有するように、加工されている。ケース29の本体22における天板22uの内面22aに接着剤などで圧電体21を張り付ける。また、天板22uの外面22bに第1音響整合層26を張り付ける。その後、図3Bに示すように、圧電体21と駆動端子24b等との接続を行う。最後に、本体22の開口を、接着剤などを用いて蓋板23で閉じることによって、超音波送受波器が完成する。
The ultrasonic wave transmitter / receiver of the present embodiment can be manufactured by, for example, the following procedure. First, as shown in FIG. 3A, the
本実施形態の積層体によれば、第1音響整合層26が10kg/m3以上100kg/m3以下の密度を有することにより、超音波を放射する圧電体と気体との間における音響インピーダンス差による超音波の反射を抑制し、超音波を圧電体に効率よく入射させることができる。したがって、高感度な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。特に、第1音響整合層26が独立気泡を有する構造体によって構成され、クローズドポアの平均ポア径が1μm以上100μm以下であり、クローズドポアの隣接間距離が50nm以上1μm以下の範囲内であることにより、優れた音響特性を実現し得る。よって、更に高感度な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。また、第1音響整合層26の独立気泡を有する構造体はポリメタクリルイミド発泡体を含む。ポリメタクリルイミド発泡体は低密度でありながら高弾性であるという特徴を備えるため、製造過程における衝撃に対して耐性を有しており、機械的強度および加工性に優れる。したがって、積層体および超音波送受波器を高い歩留まりで製造することが可能である。したがって、音響整合層の取り扱いが比較的容易であることにより、生産性に優れまた、特性のばらつきが小さく、音波を流体から効率よく圧電体に入射させることが可能な積層体を得ることができる。またこのような積層体を用いることにより、高感度で流体を検出することが可能な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。
According to the laminate of the present embodiment, the first
(第2の実施形態)
図4は、本実施形態の超音波流量計に用いられる超音波送受波器の構造を模式的に示している。図4において、図1に示した第1の実施形態と同一または同様の構成には同一の符号を付している。第1の実施形態と同一または同様の構成については、その説明は省略する場合がある。図4に示す超音波送受波器は、圧電体21、第1音響整合層26および第2音響整合層27を含む積層体28’を備えている点で第1の実施形態と異なる。
(Second Embodiment)
FIG. 4 schematically shows the structure of the ultrasonic wave transmitter / receiver used in the ultrasonic flow meter of the present embodiment. In FIG. 4, the same or similar configurations as those in the first embodiment shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. The description of the same or similar configuration as that of the first embodiment may be omitted. The ultrasonic wave transmitter / receiver shown in FIG. 4 differs from the first embodiment in that it includes a laminate 28'including a
第2音響整合層27は圧電体21と第1音響整合層26との間に位置している。本実施形態では、第2音響整合層27は天板22uの外面22bに張り付けられており、第1音響整合層26は第2音響整合層27に接している。第2音響整合層27は、50kg/m3以上1500kg/m3以下の密度を有する。また、第2音響整合層27の密度は、第1音響整合層の密度よりも大きい。第1音響整合層26の音響インピーダンスをZaとし、第2音響整合層27の音響インピーダンスをZbとすると、Za<Zbの関係を満たしている。Zbは圧電体21の音響インピーダンスよりも小さい。積層体28’が、このような音響特性を有する第2音響整合層27をさらに含むことにより、第1音響整合層26に入射した音波を、より効率よく圧電体21に入射させることが可能となる。
The second
第2音響整合層27はクローズドポアを有する材料である。例えば、第2音響整合層27は、ポリメタクリルイミドなどの発泡樹脂または複合材料によって構成されている。複合材料は、例えば、ガラスバルーン(中空の微小なガラス球)またはプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料であってよい。また、これらの発泡樹脂および複合材料は、その表面がガスバリア膜で覆われた構造を有していても良い。第2音響整合層27の厚さも第1の実施形態と同様の理由により、第2音響整合層27を伝搬する音波の1/4の厚さを有していることが望ましい。
The second
本実施形態では、第1音響整合層26と第2音響整合層27とは互いに直接接している。第2音響整合層27は、ケース29の天板22uの外面22bと接している。ケース29の天板22uは、積層体28’を支持する構造支持層として機能する。天板22uは、1000kg/m3以上の密度を有することが望ましい。また、天板22uの厚さは、天板22uを伝搬する音波の波長λの1/8以下の厚さを有している。この条件を天板22uが満たすことによって、天板22uにおける音波の反射等が抑制される。
In the present embodiment, the first
本実施形態の積層体によれば、積層体28’が第2音響整合層27を含むため、流体中を伝搬する音波をより高効率で圧電体へ入射させることができる。したがって、第1の実施形態で説明した特徴に加え、より高感度で流体を検出することが可能な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。
According to the laminated body of the present embodiment, since the laminated body 28'includes the second
(実施例)
以下、第1および第2の実施形態の超音波送受波器および超音波流量計を作製し、特性を調べた結果を説明する。
(Example)
Hereinafter, the results of manufacturing the ultrasonic wave transmitter / receiver and the ultrasonic flow meter of the first and second embodiments and examining their characteristics will be described.
1. 試料の作製
[参考例(A)]
(a)第2音響整合層(シリカ多孔体)の製造
数十μm径の球状アクリル樹脂と1μm以下の直径の焼結シリカ粉末を混合した後に加圧成型を行った。この成型体を乾燥した後に、900℃で焼成してシリカ多孔体を形成した。その後、シリカ多孔体の厚さが超音波発振波長の1/4となるように調製し、第2音響整合層を得た。第2音響整合層中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は1500m/sであった。密度は570kg/m3であり、厚さは750μmであった。
1. Preparation of sample [Reference example (A)]
(A) Production of Second Acoustic Matching Layer (Silica Porous) After mixing spherical acrylic resin with a diameter of several tens of μm and sintered silica powder with a diameter of 1 μm or less, pressure molding was performed. After the molded body was dried, it was fired at 900 ° C. to form a porous silica body. Then, the thickness of the silica porous body was adjusted to be 1/4 of the ultrasonic oscillation wavelength, and a second acoustic matching layer was obtained. The sound velocity of the ultrasonic wave propagating in the second acoustic matching layer at about 500 kHz was 1500 m / s. The density was 570 kg / m 3 and the thickness was 750 μm.
(b)第2音響整合層と第1音響整合層の積層
テトラメトキシシランとエタノールとアンモニア水溶液(0.1規定)とをモル比で1対3対4になるように調製したゲル原料液を、予めプラズマクリーニングによって水酸基が表面に露出するように洗浄した第2音響整合層上に、90μmの厚さで塗布した。その後、塗布したゲル原料液を固化させ、シリカ湿潤ゲル層を得た。このシリカ湿潤ゲル層を形成した第2音響整合層をトリメチルエトキシシランの5重量%ヘキサン溶液中で疎水化処理を行った後に、二酸化炭素による超臨界乾燥(12MPa、50℃)を行って、シリカ乾燥ゲルと第2音響整合層が積層した音響整合層を得た。第2音響整合層上の水酸基とテトラメトキシシランのアルコキシ基が反応して化学結合を形成しているため、密着性の良い第1音響整合層が得られた。第1音響整合層中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は180m/sであり、密度は200kg/m3であった。
(B) Lamination of 2nd Acoustic Matching Layer and 1st Acoustic Matching Layer A gel raw material solution prepared by mixing tetramethoxysilane, ethanol, and an aqueous ammonia solution (specified in 0.1) in a molar ratio of 1: 3: 4. The second acoustic matching layer, which had been previously cleaned by plasma cleaning so that the hydroxyl groups were exposed on the surface, was coated with a thickness of 90 μm. Then, the applied gel raw material liquid was solidified to obtain a silica wet gel layer. The second acoustic matching layer on which the silica wet gel layer was formed was hydrophobized in a 5 wt% hexane solution of trimethylethoxysilane, and then supercritical dried with carbon dioxide (12 MPa, 50 ° C.) to carry out silica. An acoustic matching layer in which the dried gel and the second acoustic matching layer were laminated was obtained. Since the hydroxyl group on the second acoustic matching layer reacts with the alkoxy group of tetramethoxysilane to form a chemical bond, the first acoustic matching layer having good adhesion was obtained. The sound velocity of the ultrasonic wave propagating in the first acoustic matching layer of about 500 kHz was 180 m / s, and the density was 200 kg / m 3 .
(c)音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第2音響整合層27で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(C) Joining the acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(d)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(D) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
[実施例(B)]
(a)第1音響整合層の加工
第1音響整合層26として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ROHACELL(R)(密度30kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポアサイズ60μm、平均壁厚さ80nmであり、直径10.8mmの円柱形状に加工した。第1音響整合層26中を伝搬する約500kHzの超音波の速度は1200m/sであった。第1音響整合層26の厚さは600μmに調製した。
[Example (B)]
(A) Processing of First Acoustic Matching Layer As the first
(b)音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第1音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(B) Joining the acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(C) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
[実施例(C)]
(a)第1音響整合層の加工
第1音響整合層26として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ROHACELL(R)(密度50kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポアサイズ40μm、平均壁厚さ200nmであり、直径10.8mmの円柱形状に加工した。第1音響整合層26中を伝搬する約500kHzの超音波の速度は2000m/sであった。第1音響整合層26の厚さは1000μmに調製した。
[Example (C)]
(A) Processing of First Acoustic Matching Layer As the first
(b)音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第1音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(B) Joining the acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(C) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
[実施例(D)]
(a)第1音響整合層の加工
第1音響整合層26として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ROHACELL(R)(密度70kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポアサイズ25μm、平均壁厚さ400nmであり、直径10.8mmの円柱形状に加工した。第1音響整合層26中を伝搬する約500kHzの超音波の速度は3000m/sであった。第1音響整合層26の厚さは1500μmに調製した。
[Example (D)]
(A) Processing of First Acoustic Matching Layer As the first
(b)音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第1音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(B) Joining the acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(C) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
[参考例(E)]
(a)第1音響整合層の加工
第1音響整合層26として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ROHACELL(R)(密度70kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポアサイズ200μm、平均壁厚さ2000nmであり、直径10.8mmの円柱形状に加工した。第1音響整合層26中を伝搬する約500kHzの超音波の速度は400m/sであった。第1音響整合層26の厚さは200μmに調製した。
[Reference example (E)]
(A) Processing of First Acoustic Matching Layer As the first
(b)音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第1音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(B) Joining the acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(C) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
[参考例(F)]
(a)第1音響整合層の加工
第1音響整合層26として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ROHACELL(R)(密度70kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポアサイズ300μm、平均壁厚さ3250nmであり、直径10.8mmの円柱形状に加工した。第1音響整合層26中を伝搬する約500kHzの超音波の速度は460m/sであった。第1音響整合層26の厚さは230μmに調製した。
[Reference example (F)]
(A) Processing of First Acoustic Matching Layer As the first
(b)音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第1音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(B) Joining the acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(C) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
[実施例(G)]
(a)第2音響整合層(ガラスエポキシ)27の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、120℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の1/4になるように切削し、第2音響整合層27を得た。第2音響整合層27中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は2500m/sであった。密度は、520kg/m3であり、厚さは1250μmであった。
[Example (G)]
(A) Production of second acoustic matching layer (glass epoxy) 27 Organic polymer, fibrous body of inorganic material, foam body, sintered porous body, material obtained by solidifying glass balloon or plastic balloon with resin material, glass balloon is heated A compressed material or the like can be used. Here, the jig was filled with a glass balloon, then impregnated with an epoxy solution, and thermoset at 120 ° C. The thickness of the cured molded body was cut so as to be 1/4 of the ultrasonic oscillation wavelength to obtain a second
(b)第2音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第2音響整合層27で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(B) Joining the second acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(c)第2音響整合層27と第1音響整合層26の積層
第1音響整合層26として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ROHACELL(R)(密度30kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポアサイズ60μm、平均壁厚み80nmであり、直径10.8mmの円柱形状に加工した。第1音響整合層26中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は1200m/s、であり、厚さは600μmであった。第2音響整合層27の表面におよそ50μmの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第1音響整合層26を、配置し、熱加圧することにより接合した。
(C) Lamination of Second
(d)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(D) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
[実施例(H)]
(a)第2音響整合層(ガラスエポキシ)27の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、120℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の1/4になるように切削し、第2音響整合層27を得た。第2音響整合層27中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は2500m/sであった。密度は、520kg/m3であり、厚さは1250μmであった。
[Example (H)]
(A) Production of second acoustic matching layer (glass epoxy) 27 Organic polymer, fibrous body of inorganic material, foam body, sintered porous body, material obtained by solidifying glass balloon or plastic balloon with resin material, glass balloon is heated A compressed material or the like can be used. Here, the jig was filled with a glass balloon, then impregnated with an epoxy solution, and thermoset at 120 ° C. The thickness of the cured molded body was cut so as to be 1/4 of the ultrasonic oscillation wavelength to obtain a second
(b)第2音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第2音響整合層27で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(B) Joining the second acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(c)第2音響整合層27と第1音響整合層26の積層
第1音響整合層26として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ROHACELL(R)(密度30kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポアサイズ60μm、平均壁厚み80nmであり、直径10.8mmの円柱形状に加工した。第1音響整合層26中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は1200m/s、であり、厚さは600μmであった。第2音響整合層27の表面におよそ150μmの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第1音響整合層26を、配置し、熱加圧することにより接合した。
(C) Lamination of Second
(d)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(D) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
[実施例(I)]
(a)第2音響整合層(ガラスエポキシ)27の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、120℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の1/4になるように切削し、第2音響整合層27を得た。第2音響整合層27中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は2500m/sであった。密度は、520kg/m3であり、厚さは1250μmであった。
[Example (I)]
(A) Production of second acoustic matching layer (glass epoxy) 27 Organic polymer, fibrous body of inorganic material, foam body, sintered porous body, material obtained by solidifying glass balloon or plastic balloon with resin material, glass balloon is heated A compressed material or the like can be used. Here, the jig was filled with a glass balloon, then impregnated with an epoxy solution, and thermoset at 120 ° C. The thickness of the cured molded body was cut so as to be 1/4 of the ultrasonic oscillation wavelength to obtain a second
(b)第2音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第2音響整合層27で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(B) Joining the second acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(c)第2音響整合層27と第1音響整合層26の積層
第1音響整合層26として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ROHACELL(R)(密度50kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポアサイズ40μm、平均壁厚み200nmであり、直径10.8mmの円柱形状に加工した。第1音響整合層26中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は2000m/sであり、厚さは100μmであった。第2音響整合層27の表面におよそ50μmの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第1音響整合層26を、配置し、熱加圧することにより接合した。
(C) Lamination of 2nd
(d)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(D) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
[実施例(J)]
(a)第2音響整合層(ガラスエポキシ)27の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、120℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の1/4になるように切削し、第2音響整合層27を得た。第2音響整合層27中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は2500m/sであった。密度は、520kg/m3であり、厚さは1250μmであった。
[Example (J)]
(A) Production of second acoustic matching layer (glass epoxy) 27 Organic polymer, fibrous body of inorganic material, foam body, sintered porous body, material obtained by solidifying glass balloon or plastic balloon with resin material, glass balloon is heated A compressed material or the like can be used. Here, the jig was filled with a glass balloon, then impregnated with an epoxy solution, and thermoset at 120 ° C. The thickness of the cured molded body was cut so as to be 1/4 of the ultrasonic oscillation wavelength to obtain a second
(b)第2音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第2音響整合層27で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(B) Joining the second acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(c)第2音響整合層27と第1音響整合層26の積層
第1音響整合層26として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ROHACELL(R)(密度70kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポアサイズ25μm、平均壁厚み400nmであり、直径10.8mmの円柱形状に加工した。第1音響整合層26中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は3000m/sであり、厚さは1500μmであった。第2音響整合層27の表面におよそ50μmの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第1音響整合層26を、配置し、熱加圧することにより接合した。
(C) Lamination of Second
(d)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(D) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
[参考例(K)]
(a)第2音響整合層(ガラスエポキシ)27の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、120℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の1/4になるように切削し、第2音響整合層27を得た。第2音響整合層27中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は2500m/sであった。密度は、520kg/m3であり、厚さは1250μmであった。
[Reference example (K)]
(A) Production of second acoustic matching layer (glass epoxy) 27 Organic polymer, fibrous body of inorganic material, foam body, sintered porous body, material obtained by solidifying glass balloon or plastic balloon with resin material, glass balloon is heated A compressed material or the like can be used. Here, the jig was filled with a glass balloon, then impregnated with an epoxy solution, and thermoset at 120 ° C. The thickness of the cured molded body was cut so as to be 1/4 of the ultrasonic oscillation wavelength to obtain a second
(b)第2音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第2音響整合層27で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(B) Joining the second acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(c)第2音響整合層27と第1音響整合層26の積層
第1音響整合層26として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ROHACELL(R)(密度70kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポアサイズ200μm、平均壁厚み2000nmであり、直径10.8mmの円柱形状に加工した。第1音響整合層26中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は400m/sであり、厚さは200μmであった。第2音響整合層27の表面におよそ50μmの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第1音響整合層26を、配置し、熱加圧することにより接合した。
(C) Lamination of Second
(d)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(D) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
[参考例(L)]
(a)第2音響整合層(ガラスエポキシ)27の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、120℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の1/4になるように切削し、第2音響整合層27を得た。第2音響整合層27中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は2500m/sであった。密度は、520kg/m3であり、厚さは1250μmであった。
[Reference example (L)]
(A) Production of second acoustic matching layer (glass epoxy) 27 Organic polymer, fibrous body of inorganic material, foam body, sintered porous body, material obtained by solidifying glass balloon or plastic balloon with resin material, glass balloon is heated A compressed material or the like can be used. Here, the jig was filled with a glass balloon, then impregnated with an epoxy solution, and thermoset at 120 ° C. The thickness of the cured molded body was cut so as to be 1/4 of the ultrasonic oscillation wavelength to obtain a second
(b)第2音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体21および第2音響整合層27で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(B) Joining the second acoustic matching layer with the case and the piezoelectric layer After temporarily bonding epoxy adhesive sheets to both sides of the
(c)第2音響整合層27と第1音響整合層26の積層
第1音響整合層26として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ROHACELL(R)(密度70kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポアサイズ300μm、平均壁厚み3250nmであり、直径10.8mmの円柱形状に加工した。第1音響整合層26中を伝搬する約500kHzの超音波の音速は460m/sであり、厚さは230μmであった。第2音響整合層27の表面におよそ50μmの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第1音響整合層26を、配置し、熱加圧することにより接合した。
(C) Lamination of Second
(d)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(D) Formation of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver
2.特性の評価
作製した超音波送受波器の感度を測定した。作製した1対の超音波送受波器を対向させ、一方を送信器とし、他方を受信器として、超音波の送受信を行った。参考例(A)による測定結果を基準として規格化した値を求めた。また、第1音響整合層の脆さ・加工性を体積弾性率によって評価した。具体的には、第1音響整合層に用いた材料のカタログに示された体積弾性率を、参考例(A)の材料の体積弾性率で規格化した値を求めた。表1にこれらの値、および、第1音響整合層26および第2音響整合層27の特性をまとめて示す。
2. Evaluation of characteristics The sensitivity of the manufactured ultrasonic wave transmitter / receiver was measured. A pair of manufactured ultrasonic wave transmitters and receivers were opposed to each other, and one was used as a transmitter and the other was used as a receiver to transmit and receive ultrasonic waves. A standardized value was obtained based on the measurement result according to the reference example (A). In addition, the brittleness and workability of the first acoustic matching layer were evaluated by the volume elastic modulus. Specifically, the volume elastic modulus shown in the catalog of the material used for the first acoustic matching layer was normalized by the volume elastic modulus of the material of Reference Example (A). Table 1 summarizes these values and the characteristics of the first
表1における性能評価の欄における、×、△、〇、◎の記号は以下の範囲に従って分類した。
(感度)
×:1未満
△:1以上1.5未満
○:1.5以上2未満
◎:2以上
(脆性・加工性)
×:1以下
△:2以上5未満
○:5以上30未満
◎:30以上
The symbols ×, Δ, 〇, and ◎ in the performance evaluation column in Table 1 are classified according to the following range.
(sensitivity)
×: Less than 1 Δ: 1 or more and less than 1.5 ○: 1.5 or more and less than 2 ◎: 2 or more (brittleness / workability)
×: 1 or less Δ: 2 or more and less than 5 ○: 5 or more and less than 30 ◎: 30 or more
3.結果の考察
表1に示すように、ポリメタクリルイミド発泡体は、シリカ多孔体に比べて、脆さ・加工性に優れていることが分かる。また、実施例BからFの平均気泡径と感度との関係から、平均気泡径が100μm以下であり、隔壁の平均厚さが1μm以下である方が、感度がよいことが分かる。本願発明者の詳細な実験の結果によれば、平均気泡径が1μm以上100μm以下であり、隔壁の平均厚さが50nm以上1μm以下であることによって、超音波送受波器の感度は向上する。また、第1音響整合層の音速は、500m/sよりも大きい方が高い感度が得られることが分かる。
3. Discussion of Results As shown in Table 1, it can be seen that the polymethacrylicimide foam is superior in brittleness and workability as compared with the porous silica. Further, from the relationship between the average cell diameter and the sensitivity of Examples B to F, it can be seen that the sensitivity is better when the average cell diameter is 100 μm or less and the average thickness of the partition wall is 1 μm or less. According to the results of detailed experiments by the inventor of the present application, the sensitivity of the ultrasonic transmitter / receiver is improved when the average cell diameter is 1 μm or more and 100 μm or less and the average thickness of the partition wall is 50 nm or more and 1 μm or less. Further, it can be seen that higher sensitivity can be obtained when the sound velocity of the first acoustic matching layer is higher than 500 m / s.
実施例G〜Lと実施例B〜Fとの比較から、積層体が第2音響整合層27をさらに備えることによって、第1音響整合層26のみを備える場合に比べて感度がより向上することが分かる。
From the comparison between Examples G to L and Examples B to F, the sensitivity is further improved by further providing the second
本開示の積層体および超音波送受波器は、種々の流体の測定用流量計に好適に用いられる。また、目標対象物を探知する探知装置、目標対象物までの距離を測定する測距装置等、ソナー性能を有する種々の装置に好適に用いられる。 The laminate and ultrasonic wave transmitter / receiver of the present disclosure are suitably used for flow meters for measuring various fluids. Further, it is suitably used for various devices having sonar performance, such as a detection device for detecting a target object and a distance measuring device for measuring a distance to a target object.
11、12 超音波送受波器
22 本体
22u 天板
22a 内面
22b 外面
23 蓋板
24a、24b 駆動端子
25 絶縁材
26 第1音響整合層
27 第2音響整合層
28、28’ 積層体
29 ケース
31 時間計測部
32 演算部
11, 12 Ultrasonic wave transmitter /
Claims (18)
前記圧電体と、直接または他の層を介して、接して配置されている第1音響整合層であって、
複数のクローズドポアを含むプラスチック独立気泡発泡体を含み、
前記クローズドポアの平均ポア径が、1μm以上100μm以下であり、
10kg/m3以上100kg/m3以下の密度を有する第1音響整合層と
を備える、
積層体。 Piezoelectric and
A first acoustic matching layer that is arranged in contact with the piezoelectric body directly or via another layer.
Contains plastic closed-cell foam containing multiple closed pores,
The average pore diameter of the closed pore is 1 μm or more and 100 μm or less.
A first acoustic matching layer having a density of 10 kg / m 3 or more and 100 kg / m 3 or less is provided.
Laminated body.
前記第2音響整合層は、50kg/m3以上1500kg/m3以下であり、かつ、前記第1音響整合層よりも大きい密度を有する、請求項1から6のいずれかに記載の積層体。 A second acoustic matching layer located between the piezoelectric body and the first acoustic matching layer is further provided.
The laminate according to any one of claims 1 to 6, wherein the second acoustic matching layer is 50 kg / m 3 or more and 1500 kg / m 3 or less, and has a density higher than that of the first acoustic matching layer.
有する構造支持層をさらに備える、請求項7に記載の積層体。 The laminate according to claim 7, further comprising a structural support layer having a density of 1000 kg / m 3 or more between the first acoustic matching layer and the second acoustic matching layer.
天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に固定され、
前記第1音響整合層は前記天板の外面に固定されている、超音波送受波器。 The laminate according to any one of claims 1 to 6 and
A main body having a convex shape having a top plate and a case having a lid plate covering the convex opening are further provided.
The piezoelectric body is located in the convex shape and is fixed to the inner surface of the top plate.
An ultrasonic wave transmitter / receiver in which the first acoustic matching layer is fixed to the outer surface of the top plate.
天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に固定され、
前記第2音響整合層は前記天板の外面に固定され、
前記第1音響整合層は前記第2音響整合層に接している、超音波送受波器。 With the laminate according to any one of claims 7 to 9.
A main body having a convex shape having a top plate and a case having a lid plate covering the convex opening are further provided.
The piezoelectric body is located in the convex shape and is fixed to the inner surface of the top plate.
The second acoustic matching layer is fixed to the outer surface of the top plate,
The first acoustic matching layer is an ultrasonic wave transmitter / receiver in contact with the second acoustic matching layer.
前記流路に配置された、超音波信号を送受信する一対の超音波送受波器であって、請求項14から16のいずれかに記載の超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測部と、
前記時間計測部からの信号に基づいて前記流路の流量を算出する演算部と、
を備えた超音波流量計。 The flow path through which the fluid to be measured flows and
The ultrasonic wave transmitter / receiver according to any one of claims 14 to 16, which is a pair of ultrasonic wave transmitters / receivers arranged in the flow path for transmitting / receiving ultrasonic signals.
A time measuring unit that measures the ultrasonic wave propagation time between the pair of ultrasonic wave transmitters and receivers,
A calculation unit that calculates the flow rate of the flow path based on the signal from the time measurement unit, and
Ultrasonic flowmeter equipped with.
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