JPH06510896A - 超音波変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波変換器 本発明は、ケーシング及び僅かの厚さの円筒状セラミック振動子を有し、該振動 子の端面に金属電極を備え、送波すべき媒質に向いた端面にプラスチックからな る適合層（Ａｎｐａｓｓｓｃｈｉｃｈｔ）を配置し、この適合層は、ケーシング の底部から形成された膜に形状及び作用結合し、ケーシングの残りの空所は、プ ラスチックからなる制動層（Ｄａｅｍｐｆｕｎｇｓｓｃｈｉｃｈｔ）で充填され ている超音波変換器に関する。

送波及び受波変換器として作用する超音波変換器の物理特性に基づいて、これら は、膜と反射面との間の距離の測定は、最小距離までのみが可能であるという欠 点を有する。このことは、ケーシング又は貯蔵所の貯蔵容量の１部又は流動管の 流量を１部利用できないことを意味する。それというのも、膜と反射面との間の 最小距離の中での充填高さ又は流動高さの監視が不可能だからである。

この最小距離は、超音波パルスで作動する変換器の場合に、嘆の振動がパルス送 信終了後に突然止むのではなく、膜は、更に僅かな期間、後振動することに基づ く。しかしながら後振動の時間には、到着するエコーパルスを受信しないか又は 少な（とも認識できない。

エコーパルスの受信又は評価が不可能である期間は、一般にブロック距離（Ｂｌ ｏｃｋｄｉｓｔａｎｚ）と称される。

西独特許第３３０１８４８号明細書中に、ブロック距離を減らすために、全超音 波変換器を、超音波をがける媒質に向いたプラスチック適合層の面を除いてポリ ウレタンフォームからなるフオーム充填物で満たすことが提案されている。機械 的振動の制動により変換器の振動停止特性に影響し、これによりブロック距離を 短くするようなフオーム充填物によりこの課題は解決される。このことは、ポリ ウレタンフォームへの超音波の侵入が、振動エネルギーの１部を消失させ、これ によりセラミック振動子の振動停止の挙動が短くなることにより行われる。しか しながら西独特許第３３０１８４８号明細書で提案された解決策は、セラミック 材料及びポリウレタンフォームの異なる密度に基づいて、セラミック振動子の音 響インピーダンスがフオーム充填物に非常に悪く伝搬するという欠点を有する。

特に、ポリウレタンフォームが温度安定でな（、従ってブロック距離の利用可能 な減少は、実際には非常にまれにしか生じない理想の一定温度でのみ行いつると いう欠点がある。

西独特許第３３０１８４８号明細書にも記載されるように、もう一つの公知技術 水準によれば、セラミック振動子と膜との間に設置された、超音波パルスが送波 されるべき媒質の音響インピーダンスにセラミック材料の音響インピーダンスを 適合させるためのプラスチック層は、二酸化ケイ素からなる中空球を埋め込まれ たポリスチレンラッカーからなっている。しかしながらエポキシド樹脂及び西独 特許第３３０１８４８号明細書の第１段、３６行に記載のシリコーンエラストマ ーもこの課題のために公知であった。例えばドウ・コーニング（ＤＯＷ　Ｃ０Ｒ ＮＩＮＧ）社のセラスチツク　Ｅ　（ＳＥＬＡＳＴＩＣＥ）は、好んで使用され る材料である。

提案されたポリウレタンフォームを用いるセラミック振動子の制動のもう１つの 欠点は、適合層の材料が制動層の材料と結合できず、特に高温では非常にしばし ば両方の層が剥がれてしまうことである。

従って、西独特許第３３０１８４８号明細書中で提案された思想を更に発展させ て、超音波をかける媒質に向いた適合層の面を除いて、この種の超音波変換器の 内部ケーシングを、ポリウレタンフォームの代わりに、しばしばシリコーンエラ ストマーで満たす。そのようなシリコーンエラストマー、例えばブレイス・エレ ト・ロニノク・マテリアルズ（ＧＲＡＣＥ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｍａｔｅｒ ｉａｌｓ）社のエコシル　５９５２　（ＥＣＣＯ３Ｉ＋、５９５２）は、制動層 が、適合層と化学的に類似の基礎を有し、これによりセラミック振動子の音響イ ンピーダンスと制動層の音響インピーダンスとの間の非常に小さな差が、超音波 の容易な侵入及び吸収を可能にするという利点をもたらし、このことは、セラミ ック振動子の短い振動停止特性をもたらす。制動層としてこの材料を使用するも う一つの利点は、その高い温度安定性にみることができる。

しかしながらこの材料は、要求された全てを満たしてはいない。これらは、例え ば基礎材料と硬化剤との極めて高い混合比（５００：　ｌ）に基づき、機械加工 可能ではない。即ちこれらは、あいかわらず手で混合し、加工されねばならない 。縮合架橋は、分解生成物（アルコール）の逃散を可能にするために、厚い層を 施与する際に、多工程で行うべきであることを前提とする。更に、分解生成物は 適合層中に分散しえ、そこで接着破損を生じる。高温での架橋は、可逆的であり え、即ち高温及び湿気の同時発生の際には、長い貯蔵時間後に所望でない分解生 成物が遊離しうる。

従って呈示された課題は、提案された解決策及び一般に使用される公知技術水準 によっては部分的にのみ解決されたけである。

それに対して本発明は、制動層を施与することにより、更に短いブロック距離を 得、かつ同時に制動層を機械で混合、施与することができるように、超音波変換 器の振動停止特性に影響を及ぼすことを課題とする。

その際、制動層は、適合層と剥がれることの無い結合をすべきである。

この課題は特許請求項１に記載の特徴により解決される。本発明の他の特徴は、 従属請求項に記載される。

本発明の他の利点は、架橋の際に分解生成物が遊離しないことにより厚い層が作 業工程で注入成形され、かつ高温及び湿気の同時存在の際でも、反応生成物は遊 離せず、かつ可逆反応を引き起こしうることである。

短い可使時間は、施与後に制動層を迅速に更に処理することを可能にする。

本発明を、唯一の図面により詳説する。

図中で、ｌは、超音波変換器を示し、これは、セラミック振動子２、適合層３、 制動層４及びセラミック振動子２、適合層３及び制動層４を包込むケーシング５ から公知法で形成される。ケーシング５の底部は同時に、超音波変換器１の膜６ を表す。セラミック振動子２については、金属電極７．８が両端面に設置されて いる。金属電極７．８へのはんだ接合により接続された結合導線９は、示されて いない電子回路に電気的に接続しており、これによりセラミック振動子２は、Ｍ Ｗ波の周波数で振動するように励起される。その際、同じ導線９を介して、示さ れていない電子回路へ、エコー波の受信の際に、セラミック振動子２が伝達する 交流電圧も伝送する。

セラミック振動子２は、適合層３を介して膜６にパルス振動を励起させる。しか しながらパルス送信終了後に、この振動は突然中断するのではなく、セラミック 振動子２は、更に短い期間、後振動する。この後振動時間の間、適合層３を経て セラミック振動子２を振動させる、膜６に到着するエコーパルスがエコーパルス として識別されないことが認識できる。従って、パルス送信終了の際に、できる だけ迅速な振動停止を行い、それによりブロック距離を小さく保つように、セラ ミック振動子２の振動停止特性を制動する努力が存在する。従ってこのことは、 膜６と反射面との間の小さな距離も探査することができるために必要である。

セラミック振動子２の制動は、セラミック振動子２を、送波される媒質に向いた 端面８まで包む、制動層４を用いて行う。その際、制動層４の材料の制動特性は 、重要な役割を担う。意想外にも、極めて高い固体含有量、即ち高い比密度、例 えば）２．ＯＯｇ／ｃｍ３を有する付加架橋性の２成分シリコーンエラストマー は、セラミック振動子２のための最良の制動特性を有することが判明した。

本発明の記載例では、制動層４は、シリコーンエラストマーから形成され、これ は金属酸化物からの固体分７０％を有する。そのようなＡ１．０．６５％及びＦ ｅ、０．５％の割合を有するシリコーンエラストマーは、このために特に好適で ある。

極めて高い固体含有率を有する、そのような制動層４の施与は、先ずケーシング ５の内部を砂吹きし、洗浄するようにして行う。砂吹きは、ケーシング５の底部 及び内壁に、でこぼこの表面を生み出す。そのようなでこぼこな表面は、流入さ れた層がケーシングに接着するのを促進する。引き続いての洗浄及び下塗層の施 与後に、高温でその活性化を行う。そのようにして準備されたケーシング５を室 温まで冷却する場合には、セラミック振動子２を使用してよい。その場合に、セ ラミック振動子２と膜６との間の空間に入り込んだ適合層３が硬化状態で、超音 波のλ／４に相当する厚さをとるようにセラミック振動子２を、膜６の内面から 特定の間隔で保持する処置を企てる。このことは、ケーシング５中に又はセラミ ック振動子２にセラミック振動子２をその上に支える、プラスチックからなる短 い隔たり物１０を取り付けることにより達成される。

注入成形機を用いて機械的に撹拌され、脱気された適合層３の２成分シリコーン エラストマーを本来の注入成形工程の間に機械的に結合させ、ケーシング５中に 導入する。注入成形機を用いる層の導入は、注入成形工程の重要因子、例えば導 入すべき物質等の混合比を調整し、常に管理できるという利点をもたらす。この 利点は、手動注入成形と比べて工程の著しい合理化を意味する。適合層３の導入 後に、膜６に向いたセラミック振動子２の端面８を、適合層３で完全に覆い、セ ラミック振動子２を適合層３の中に少しだけ沈める。

適合層３の注入成形の間に既に、制動層４の施与を準備してよい。これも、有利 には機械的に加工可能な２成分シリコーンエラストマーからなるので、注入成形 物（Ｖｅｒｇｕｓｓ）の音響特性（ａｋｕｓｔｉｓｃｈｅ　Ｋｅｎｎｇｒｏｅｓ ｓｅ）も正確に調整することができる。例えば正確に定義された気泡の制御され た導入による吸収係数及び密度を介した超音波インピーダンス。同様に粘度及び 可使時間は、架橋工程の間に気泡が生じないように調整することができる。適合 層３は、制動層４と化学的に惠似の基礎を有するので、制動層４は、適合層３の ゼリー化段階の間に既に施与することができる。それにより、両方の層の特に良 好な接着が、相互に得られる。架橋時間の間に遊離しない分解生成物は、制動層 ４を唯一の作業工程で施与できることを可能にする。制動層の施与後に完成した 超音波変換器を、制動層４の材料の非常に短い可使時間を前提として、更に加工 するための短い時間後に既に供給することができる。

提案された解決策のもう一つの利点は、制動層４が高い酸化物の配分により音響 インピーダンスを有することにあり、これは、セラミック材料の音響インピーダ ンスに実質的に近づく。制動層４に向いたセラミック振動子２の端面７から放射 する超音波は、そこで完全に吸収されるために、この類似性に基づき容易に制動 層４中に侵入することができる。このことは、セラミック振動子２の振動停止特 性での振動増幅の非常に短い減少を解決するので、これにより振動停止特性は、 実質的に影響され、短いブロック距離が得られる。

制動層４のために提案された材料は、更に、制動層４が非常に高い吸収を有する ので、端面７及びセラミック振動子２の、制動層４で包まれたジャケット面の部 分でのセラミック振動子２の共振周波数が、完全に抑圧される利点を提供し、こ のことは、共振振動数は、適合層３の方向のみに作用しうろことをもたらす。

豐　〜　門　■ 手続補正書 平成６年６月１７日

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．ケーシングと、僅かの厚さの円筒状セラミック振動子と、該セラミック振動 子の端面に配置された金属電極と、送波すべき媒質に向いたセラミック振動子の 端面に配置されたプラスチック製適合層とを有し、前記適合層は、ケーシングの 底部から形成される超音波振動子の膜に形状及び作用結合し、ケーシングの残リ の空所に、プラスチック製制動層が充填された超音波変換器において、制動層（ ４）は、金属酸化物の高い割合を有するシリコーンエラストマーから形成される ことを特徴とする、超音波変換器。
2. ２．制動層（４）は、比密度＞２．００ｇ／ｃｍ３を有する、請求項１記載の超 音波変換器。
3. ３．制動層（４）のシリコーンエラストマーは、Ａｌ２Ｏ３少なくとも５５％及 びＦｅ２Ｏ３２％の割合を有する、請求項１記載の超音波変換器。
4. ４．制動層（４）は、適合層（３）のゼリー化段階の間に施与される、請求項１ 記載の超音波変換器。
5. ５．適合層（３）も制動層（４）も構造及び結合において、化学的に親和性を有 する、請求項２記載の超音波変換器。
6. ６．制動層（４）の吸収係数の測定のために、限定された気泡を導入できる、請 求項２記載の超音波変換器。
7. ７．制動層（４）は、機械的に混合可能であり、かつ施与可能である、請求項１ 記載の超音波変換器。