JPWO2013190852A1 - Acoustic matching member, manufacturing method therefor, ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter using the same - Google Patents
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Abstract
乾燥ゲル粒子(8)と、結合粒子(10)からなる音響整合部材であって、乾燥ゲル粒子は、内部に微細空孔(7)を持つと共に、乾燥ゲル粒子間に粒子間空隙を保持し、結合粒子は、乾燥ゲル粒子間に存在して乾燥ゲル粒子同士を結合し、結合粒子の平均粒子径は、乾燥ゲル粒子の微細空孔の平均サイズより大きく、乾燥ゲル粒子の粒子間空隙(9)の平均サイズより小さい音響整合部材(4)。An acoustic matching member comprising a dry gel particle (8) and a binding particle (10). The dry gel particle has fine pores (7) inside and holds interparticle voids between the dry gel particles. The bonded particles exist between the dried gel particles to bond the dried gel particles, and the average particle diameter of the bonded particles is larger than the average size of the fine pores of the dried gel particles, and the gap between the particles of the dried gel particles ( An acoustic matching member (4) smaller than the average size of 9).
Description
本発明は、超音波送受波器の音響整合部材、およびその製造方法に関するものである。特に多様な気体との間で超音波の送受信を高感度に送受波するために、乾燥ゲルを適用した音響整合部材及びその製造方法、及びこれを用いた超音波送受波器、超音波流量計に関する。 The present invention relates to an acoustic matching member for an ultrasonic transducer and a method for manufacturing the same. In particular, in order to transmit and receive ultrasonic waves to and from various gases with high sensitivity, an acoustic matching member to which dry gel is applied, a manufacturing method thereof, an ultrasonic transducer and an ultrasonic flowmeter using the acoustic matching member. About.
特許文献1は、圧電体と音響整合層を含む超音波送受波器であって、前記音響整合層が無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなり、前記乾燥ゲルの固体骨格部が疎水化されてなることを特徴とする超音波送受波器を開示する。
本発明の目的は、乾燥ゲルのみによっては得にくい音響インピーダンスを持つ音響整合部材を、乾燥ゲルを用いて提供することにある。 An object of the present invention is to provide an acoustic matching member having an acoustic impedance that is difficult to obtain with only a dry gel, using the dry gel.
そして、多種の音響インピーダンスを持つ音響整合部材、およびこの音響整合部材を備えた超音波送受波器、およびその製造方法、ならびに当該超音波送受波器を備えた超音波流量計を提供することにある。 To provide an acoustic matching member having various acoustic impedances, an ultrasonic transducer including the acoustic matching member, a manufacturing method thereof, and an ultrasonic flowmeter including the ultrasonic transducer is there.
本発明の音響整合部材は、乾燥ゲル粒子と、結合粒子からなる音響整合部材であって、前記乾燥ゲル粒子は、内部に微細空孔を持つと共に、前記乾燥ゲル粒子間に粒子間空隙を保持し、前記結合粒子は、前記乾燥ゲル粒子間に存在して前記乾燥ゲル粒子同士を結合し、前記結合粒子の平均粒子径は、前記乾燥ゲル粒子の前記微細空孔の平均サイズより大きく、前記乾燥ゲル粒子の前記粒子間空隙の平均サイズより小さいものである。 The acoustic matching member of the present invention is an acoustic matching member composed of dry gel particles and binding particles, and the dry gel particles have fine pores therein and hold interparticle voids between the dry gel particles. The binding particles are present between the dry gel particles to bond the dry gel particles, and the average particle diameter of the binding particles is larger than the average size of the fine pores of the dry gel particles, It is smaller than the average size of the interparticle voids of the dried gel particles.
上記音響整合部材において、前記乾燥ゲル粒子は、固体骨格部がシリカからなっていてもよい。 In the acoustic matching member, the dry gel particles may have a solid skeleton portion made of silica.
上記音響整合部材において、前記微細空孔の平均サイズは100nm以下であってもよい。 In the acoustic matching member, an average size of the fine holes may be 100 nm or less.
上記音響整合部材において、前記微細空孔の平均サイズは50nm未満であってもよい。 In the acoustic matching member, the average size of the fine holes may be less than 50 nm.
上記音響整合部材において、前記乾燥ゲル粒子の平均粒子径は1μm以上であってもよい。 In the acoustic matching member, an average particle diameter of the dry gel particles may be 1 μm or more.
上記音響整合部材において、前記結合粒子の平均粒子径は、50nm以上、10μm以下であってもよい。 In the acoustic matching member, the average particle diameter of the binding particles may be 50 nm or more and 10 μm or less.
上記音響整合部材において、前記結合粒子は、有機系高分子であってもよい。 In the acoustic matching member, the binding particles may be an organic polymer.
上記音響整合部材において、前記有機系高分子は、エポキシ系であってもよい。 In the acoustic matching member, the organic polymer may be epoxy.
上記音響整合部材において、前記エポキシの平均分子量は1000〜100000であってもよい。 In the acoustic matching member, an average molecular weight of the epoxy may be 1000 to 100,000.
また、本発明の超音波送受波器は、両面に電極を有する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の音波放射面に接合された上記いずれかの音響整合部材を有する。 The ultrasonic transducer according to the present invention includes an electromechanical transducer having electrodes on both surfaces, and any one of the acoustic matching members joined to the sound wave emitting surface of the electromechanical transducer.
また、本発明の超音波流量計は、上記いずれかの超音波送受波器を用いている。 Moreover, the ultrasonic flowmeter of the present invention uses any one of the above ultrasonic transducers.
また、本発明の音響整合部材の製造方法は、乾燥ゲル粒子と、水系溶媒に分散したエマルジョン樹脂を混合した分散液から、水系溶媒を除去し、熱処理を行って一体化する工程を含む。 Moreover, the manufacturing method of the acoustic matching member of this invention includes the process of removing an aqueous solvent from the dispersion liquid which mixed the dry gel particle and the emulsion resin disperse | distributed to the aqueous solvent, and performing heat processing and integrating.
上記製造方法において、乾燥ゲル粒子の平均粒子径よりもエマルジョン樹脂の平均粒子径の方が小さくてもよい。上記製造方法において、エマルジョン樹脂の平均粒子径よりも乾燥ゲル粒子の微細空孔の平均サイズの方が小さくてもよい。 In the above production method, the average particle size of the emulsion resin may be smaller than the average particle size of the dry gel particles. In the above production method, the average size of the fine pores of the dried gel particles may be smaller than the average particle size of the emulsion resin.
本発明の音響整合部材は、乾燥ゲルのみによっては得にくい音響インピーダンスを持つ音響整合部材を、乾燥ゲルを用いて提供することができる。多種の音響インピーダンスを持つ音響整合部材、およびこの音響整合部材を備えた超音波送受波器、およびその製造方法、ならびに当該超音波送受波器を備えた超音波流量計を提供することができる。 The acoustic matching member of the present invention can provide an acoustic matching member having an acoustic impedance that is difficult to obtain by using only the dried gel, using the dried gel. An acoustic matching member having various acoustic impedances, an ultrasonic transducer including the acoustic matching member, a manufacturing method thereof, and an ultrasonic flowmeter including the ultrasonic transducer can be provided.
はじめに本発明の音響整合部材が搭載された超音波センサの一用途である超音波流量計について説明する。 First, an ultrasonic flowmeter that is one application of an ultrasonic sensor on which the acoustic matching member of the present invention is mounted will be described.
近年、超音波が伝搬路を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計がガスメータ等に利用されつつある。図9は、このようなタイプの超音波流量計の主要部断面構成図を示している。 In recent years, an ultrasonic flowmeter that measures the time during which an ultrasonic wave is transmitted through a propagation path, measures the moving speed of a fluid, and measures the flow rate is being used in a gas meter or the like. FIG. 9 shows a cross-sectional configuration diagram of the main part of this type of ultrasonic flowmeter.
図9に示す超音波流量計では、流量を測定すべき被測定対象流体が管内を流れるように配置されている。管壁102には、一対の超音波送受波器101a、101bが相対して設置されている。超音波送受波器101a、101bは、電気機械変換素子として圧電セラミック等の圧電体を用いて構成されており、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性を示す。
In the ultrasonic flow meter shown in FIG. 9, the fluid to be measured whose flow rate is to be measured is arranged to flow in the pipe. On the
図9の例では、最初の段階で、超音波送受波器101aが超音波送波器として用いられ、超音波送受波器101bが超音波受波器として用いられる。この段階においては、超音波送受波器101aの共振周波数近傍における周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器101a内の圧電体に印加する。すると、超音波送受波器101aは超音波送波器として機能し、流体(例えば、天然ガスや水素ガス)中に超音波を放射する。放射された超音波は、経路L1に伝搬して、超音波受波器101bに到達する。このとき、超音波送受波器101bは受波器として機能し、超音波を受けて電圧に変換する。
In the example of FIG. 9, at the initial stage, the
次に、超音波送受波器101bが超音波送波器として機能し、超音波送受波器101aが超音波受波器として機能する。すなわち、超音波送受波器101bの共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器101b内の圧電体に印加することにより、超音波送受波器101bから流体中に超音波を放射させる。放射された超音波は、経路L2を伝搬して、超音波送受波器101aに到達する。超音波送受波器101aは伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。
Next, the
このように、超音波送受波器101aおよび101bは、送波器としての機能と受波器としての機能を交互に果たすために、一般に「超音波送受波器」と総称される。
As described above, the
図9に示す超音波流量計では、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、通常は一定時間のみ超音波を送波するようバースト電圧信号が駆動電圧として用いられる。 In the ultrasonic flow meter shown in FIG. 9, when alternating voltage is continuously applied, ultrasonic waves are continuously emitted from the ultrasonic transducer and it becomes difficult to measure the propagation time. The burst voltage signal is used as the drive voltage so that only ultrasonic waves are transmitted.
以下、上記超音波流量計の測定原理を、より詳細に説明する。 Hereinafter, the measurement principle of the ultrasonic flowmeter will be described in more detail.
まず、駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器101aに印加することにより、超音波送受波器101aから超音波バースト信号を放射する。これにより、超音波バースト信号は経路L1を伝搬してt時間後に超音波送受波器101bに到達する。経路L1の距離は、経路L2の距離と等しく、Lであるとする。超音波送受波器101bは、伝達して来た超音波バースト信号のみを高いSN比で電気バースト信号に変換することができる。
First, an ultrasonic burst signal is radiated from the
図9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101aを超音波送波器、超音波送受波器101bを超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器101aから出た超音波パルスが超音波送受波器101bに到達する時間をt1とすれば、次式(式1)が成立する。
In FIG. 9, the flow velocity of the fluid flowing in the pipe is V, the velocity of the ultrasonic wave in the fluid is C, and the angle between the direction of flow of the fluid and the propagation direction of the ultrasonic pulse is θ. When the
t1=L/(C+Vcosθ) ・・・(1)
逆に、超音波送受波器101bを超音波送波器として、超音波送受波器101を超音波受波器として用いたときの到達する時間をt2とすれば、次式(式2)の関係が成立する。t1 = L / (C + V cos θ) (1)
On the other hand, if the arrival time when the
t2=L/(C−Vcosθ) ・・・(2)
ここで伝搬時間t1,t2の逆数の差は、次式(式3)で示される。t2 = L / (C−Vcos θ) (2)
Here, the difference between the reciprocals of the propagation times t1 and t2 is expressed by the following equation (Equation 3).
1/t1−1/t2=2Vcosθ/L ・・・(3)
また、(式3)を変形すると次式(式4)が得られる。1 / t1-1 / t2 = 2Vcos θ / L (3)
Further, when (Expression 3) is modified, the following expression (Expression 4) is obtained.
V=(L/2cosθ)・(1/t1−1/t2) ・・・(4)
(式4)によれば、超音波の伝搬経路の距離Lと、伝搬時間t1、t2とから、流体の流速Vを求めることができる。そしてその流速Vと、流路の断面積から流量を決定することができる。V = (L / 2 cos θ) · (1 / t1-1 / t2) (4)
According to (Formula 4), the flow velocity V of the fluid can be obtained from the distance L of the propagation path of ultrasonic waves and the propagation times t1 and t2. The flow rate can be determined from the flow velocity V and the cross-sectional area of the flow path.
このような超音波流量計では高い精度が求められる。精度を高めるためには、超音波信号のSN比が高いことが必要となる。 Such an ultrasonic flowmeter is required to have high accuracy. In order to improve accuracy, it is necessary that the S / N ratio of the ultrasonic signal is high.
超音波信号のSN比を高めるために、超音波送受波器内の圧電体の超音波送受波面に形成される音響整合部材の音響インピーダンスが重要となる。音響整合部材は、超音波送受波器が気体に超音波を放射(送波)する場合、および、気体を伝搬してきた超音波を受け取る場合に重要な役割を果たす。 In order to increase the S / N ratio of the ultrasonic signal, the acoustic impedance of the acoustic matching member formed on the ultrasonic transmission / reception surface of the piezoelectric body in the ultrasonic transducer is important. The acoustic matching member plays an important role when the ultrasonic transducer radiates (transmits) an ultrasonic wave to a gas and receives an ultrasonic wave that has propagated through the gas.
以下、図10を参照しながら、音響整合部材の役割を説明する。図10は、従来の超音波送受波器103の断面構成を示している。
Hereinafter, the role of the acoustic matching member will be described with reference to FIG. FIG. 10 shows a cross-sectional configuration of a conventional
図示されている超音波送受波器103は、圧電体104と、圧電体103の一方の面に接合された音響整合部材105とを備えている。音響整合部材105は、エポキシ系の接着剤によって圧電体105の一方の面に接着されている。
The illustrated
圧電体104の超音波振動は、この接着剤からなる接着層を介して音響整合部材105に伝わる。この後、超音波振動は、音響整合部材105と接する気体や、液体などの流体(超音波伝搬媒体)に音波として放射される。
The ultrasonic vibration of the
音響整合部材105の役割は、圧電体の振動を効率良く流体に伝搬させることにある。
The role of the
以下、この点をより詳細に説明する。 Hereinafter, this point will be described in more detail.
物質の音響インピーダンスZは、その物質中の音速Cと物質の密度ρとを用いて次式(式5)によって定義される。 The acoustic impedance Z of a substance is defined by the following formula (Formula 5) using the speed of sound C in the substance and the density ρ of the substance.
Z=ρ×C ・・・(5)
超音波の放射対象となる気体の音響インピーダンスは、圧電体の音響インピーダンスと大きく異なっている。一般的な圧電体であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等のピエゾセラミックスの音響インピーダンスZ1は、2.9×107kg/m2/秒程度である。これに対して、空気の音響インピーダンスZ3は4.0×102kg/m2/秒程度である。Z = ρ × C (5)
The acoustic impedance of the gas to be radiated by ultrasonic waves is significantly different from the acoustic impedance of the piezoelectric body. An acoustic impedance Z 1 of a piezoelectric ceramic such as PZT (lead zirconate titanate) which is a general piezoelectric body is about 2.9 × 10 7 kg / m 2 / sec. In contrast, the acoustic impedance Z 3 of air is 4.0 × 10 2 kg / m of about 2 / sec.
音響インピーダンスの異なる境界面では、音波が反射しやすく、境界面を透過する音波の強度が低下する。このため、圧電体と気体の間に、次式(式6)で示す音響インピーダンスZ2を持つ物質を挿入することが行われている。At the boundary surfaces with different acoustic impedances, the sound waves are easily reflected, and the intensity of the sound waves transmitted through the boundary surfaces is reduced. Therefore, between the piezoelectric body and the gas, and it is the practice to insert a material having an acoustic impedance Z 2 represented by the following formula (6).
Z2=(Z1×Z3)^(1/2) ・・・(6)
このような音響インピーダンスZ2をもつ物質を挿入すると、境界面での反射が抑えられ、音波の透過率が向上する事が知られている。Z 2 = (Z 1 × Z 3 ) ^ (1/2) (6)
Upon insertion of the substances with such acoustic impedance Z 2, is suppressed reflection at the interface, the transmittance of the wave are known to improve.
ここで空気のような気体の流量を計測する場合を考える。 Here, consider the case of measuring the flow rate of a gas such as air.
圧電体の音響インピーダンスZ1を2.9×107kg/m2/秒、空気の音響インピーダンスZ3を4.0×102kg/m2/秒とした場合、(式6)を満たす音響インピーダンスZ2は、1.1×105kg/m2/秒程度となる。When the acoustic impedance Z 1 of the piezoelectric body is 2.9 × 10 7 kg / m 2 / sec and the acoustic impedance Z 3 of the air is 4.0 × 10 2 kg / m 2 / sec, (Equation 6) is satisfied. The acoustic impedance Z 2 is about 1.1 × 10 5 kg / m 2 / sec.
1.1×105kg/m2/秒の値を持つ物質は、当然に、(式5)、すなわち、Z2=ρ×Cを満足しなければならない。このような物質を固体材料の中から見出すことは極めて難しい。その理由は、固体でありながら、密度ρが十分に小さく、かつ、音速Cが低いことが要求されるからである。A substance with a value of 1.1 × 10 5 kg / m 2 / sec must of course satisfy (Equation 5), ie Z 2 = ρ × C. It is extremely difficult to find such substances from solid materials. The reason is that it is required to have a sufficiently low density ρ and a low sound velocity C while being solid.
特許文献1に開示された音響整合材料は、(式6)を充分に満足する。この材料は、耐久性を付与した乾燥ゲルを用いて作製され、密度ρが小さく、かつ、音速Cも低い。乾燥ゲルなどの音響インピーダンスの極めて低い材料から形成した音響整合部材を備えた超音波送受波器は、気体との間で効率的かつ高感度で超音波の送受波を行うことができ、その結果、気体の流量を高い精度で測定することが可能になる。
The acoustic matching material disclosed in
以上のような乾燥ゲルはゾルゲル反応で形成される多孔質体であり、数nmの粒子が互いに一部を接合する形でネットワークを形成しており、数nm程度の骨格と、数nm程度の空孔から形成されている。 The dry gel as described above is a porous body formed by a sol-gel reaction, and a network is formed in such a way that particles of several nm are joined to each other, and a skeleton of about several nm and a size of about several nm. It is formed from holes.
このような数nmレベルの微細な空孔に液状物質が出入りする際には、毛管力による大きな力が発生し、乾燥ゲル本体の骨格構造を破壊してしまう場合がある。骨格構造が壊れるとブロック状の形状が保持できず、また低密度特性も失われてしまう。このため、液状の接着剤を用いたブロック化や、接合は極めて困難である。 When a liquid substance enters and exits such fine pores on the order of several nanometers, a large force due to capillary force is generated, and the skeleton structure of the dried gel body may be destroyed. If the skeletal structure is broken, the block shape cannot be maintained and the low density characteristics are lost. For this reason, it is very difficult to form a block using a liquid adhesive or to join it.
また、空気より音響インピーダンスの大きなガスを計測する用途があり、このような場合には、より音響インピーダンスの大きな音響整合部材が必要とされる。 In addition, there is an application for measuring a gas having a larger acoustic impedance than air. In such a case, an acoustic matching member having a larger acoustic impedance is required.
具体的には、圧縮空気や、臭素などの比重の大きな気体がある。このような気体の計測を高精度に行うには、このような気体に適した音響整合部材が必要となり、これは乾燥ゲルのみで形成される音響整合部材とは異なる音響インピーダンスを持つ音響整合部材が必要となる。 Specifically, there are gases with high specific gravity such as compressed air and bromine. In order to perform such gas measurement with high accuracy, an acoustic matching member suitable for such a gas is required, and this is an acoustic matching member having an acoustic impedance different from that of an acoustic matching member formed only of dry gel. Is required.
本発明者らは、上記検討の結果、以下の実施形態を着想した。 As a result of the above examination, the present inventors have conceived the following embodiment.
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、超音波送受波器の実施の形態1における一断面を示している。図示されている超音波送受波器1は、圧電体2(電気機械変換素子)と、圧電体2の両面に設けられた一対の電極3a、3bと、電極3aを介して圧電体2の主面(超音波送受波面)に接合された音響整合部材4と、を備えている。(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a section of the ultrasonic transducer according to the first embodiment. The illustrated
圧電体2は、圧電性を有する材料から形成され、厚さ方向(図1の上下方向)に分極されている。圧電体2の上面側に設けられた電極3aと下面側に設けられた電極3bとの間に電圧信号が印加されると、電圧信号に基づいて圧電体2が伸縮し、圧電体2の超音波送受波面から超音波が放射されることになる。この超音波は、音響整合部材4を介して、超音波の伝搬媒体(例えば、気体)5へ放射される。
The
一方、伝搬媒体5を伝搬してきた超音波は、音響整合部材4を介して圧電体2へ達し、電極3a、3bの間に電圧信号を発生させる。このように本実施の形態の超音波送受波器1は、1つで超音波の送信および受信の両方を行うことができる。
On the other hand, the ultrasonic wave that has propagated through the
本実施の形態で用いる圧電体2の材料は任意であり、公知の圧電性材料を用いることができる。また、圧電体2の代わりに、電歪体を用いてもよい。電歪体を用いる場合にも、その材料は任意であり、公知の材料を用いることができる。また、電極3a、3bも公知の導電材料から形成される。
The material of the
音響整合部材4は、圧電体2で発生した超音波を伝搬媒体5へ効率よく伝搬させる役割を果たすとともに、伝搬媒体5の中を伝搬してきた超音波を効率よく圧電体2へ伝える役割を果たす。
The
本実施の形態の音響整合部材4は、数nm程度のシリカ粒子が、同レベルの空孔を持ちながら結合した乾燥ゲル粒子8を、結合粒子10で接合したブロック体からなる。音響整合部材4の音波伝搬方向の厚さは、送受信する超音波の波長の1/4程度となるように設定されている。
The
本実施の形態の音響整合部材4の、内部構造の模式図を図2に示す。図2において、6は骨格部分を構成する中実粒子であり、7は中実粒子間に存在する空孔であり、8は乾燥ゲル粒子であり、複数の中実粒子6が、空孔を持ちながら結合されて形成されたものである。
FIG. 2 shows a schematic diagram of the internal structure of the
9は乾燥ゲル粒子8の間に存在する空隙であり、10は乾燥ゲル粒子8を結合する結合粒子である。
本実施の形態における結合粒子10は、乾燥ゲル粒子8の内部空孔(微細空孔)より大きく、かつ乾燥ゲル粒子8間の空隙より小さなサイズである。このようなサイズの結合粒子10は、乾燥ゲル粒子8内の空孔にはサイズが小さすぎて侵入することができないため、乾燥ゲルの特徴である低密度特性を失うことがない。
The binding
結合粒子10の平均粒子径は、レーザー回折法(例えば、島津製作所社製SALD)により測定する。乾燥ゲル粒子8の平均粒子径は、レーザー回折法(例えば、島津製作所社製SALD)により測定する。
The average particle diameter of the
乾燥ゲル粒子8の内部空孔の平均サイズは、ガス吸着法(例えば、日本ベル株式会社製BELSORP−miniII)により測定する。乾燥ゲル粒子8の粒子間空隙9は、水銀圧入法(例えば、島津製作所社製オートポア)により測定する。
The average size of the internal pores of the dried
また、乾燥ゲル粒子8の粒子間空隙9に対しては、結合粒子10のサイズが十分に小さいため、容易に侵入し、乾燥ゲル粒子8同士を接合することが可能である。本実施の形態における結合粒子10は樹脂系材料からなる。
Further, since the size of the
本実施の形態の音響整合部材4は、乾燥ゲルのみで構成された音響整合部材に比べ、結合粒子10の比率を調整することで、多様な音響インピーダンスを実現することが出来るため、幅広い気体の特性に応じた適切な音響インピーダンスを実現して、効率的な超音波の送受信を行う超音波送受波器を実現することが出来る。
Since the
本実施の形態の音響整合部材は、内部にマイクロ〜メソサイズの空孔を有する乾燥ゲル粒子を結合粒子で結合した複合材料であり、乾燥ゲル粒子を結合する結合粒子は、乾燥ゲル粒子の内部空孔サイズより大きく、かつ乾燥ゲル粒子間の空隙より小さなサイズを持つ。 The acoustic matching member according to the present embodiment is a composite material in which dry gel particles having micro to meso-sized pores are bonded together with binding particles, and the binding particles binding the dry gel particles are the internal voids of the dry gel particles. It has a size larger than the pore size and smaller than the gap between the dried gel particles.
このため結合粒子は乾燥ゲル粒子内の空孔に侵入が出来ず、かつ乾燥ゲル粒子の隙間に侵入することが可能である。 For this reason, the binding particles cannot enter the pores in the dry gel particles, and can enter the gaps between the dry gel particles.
結合粒子は乾燥ゲルの微細な空孔に入り込めないため、乾燥ゲルの低密度特性を失うことがない。また乾燥ゲル粒子の粒子間の空隙には侵入することが可能なため、乾燥ゲル粒子同士を接合することが可能である。 Since the binding particles cannot enter the fine pores of the dried gel, the low density characteristics of the dried gel are not lost. Moreover, since it can penetrate | invade into the space | gap between the particle | grains of a dry gel particle, it is possible to join dry gel particle | grains.
更に、乾燥ゲル粒子を結合する粒子樹脂の配合比率を調整することで、音響整合部材の密度、および音速を大きく変えることが容易にできるため、多くの用途に適した音響整合部材を容易に形成することが出来る。 Furthermore, by adjusting the blending ratio of the particle resin that binds the dry gel particles, it is easy to change the density and sound speed of the acoustic matching member, so it is easy to form an acoustic matching member suitable for many applications. I can do it.
以下、本実施の形態における超音波送受波器1の製造方法を説明する。
Hereinafter, the manufacturing method of the
まず、送信および/または受信の対象となる超音波の波長に合わせた圧電体2を用意する。圧電体2としては、圧電セラミックスや圧電単結晶など圧電性の高い材料を用いてもよい。圧電セラミックとしては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛などを用いることができる。また圧電単結晶としては、チタン酸ジルコン酸鉛単結晶、ニオブ酸リチウム、水晶などを用いることができる。
First, the
本実施の形態では、圧電体2としてチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを用い、送受波する超音波の周波数を500kHzに設定している。このような超音波を圧電体2が効率よく送受波できるようにするため、圧電体2の共振周波数を約500kHzに設計する。
In the present embodiment, lead zirconate titanate ceramics are used as the
圧電体2は、その厚さを超音波の波長の1/2の大きさに設定したときに強く共振し、超音波の送受信効率が良くなる。チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスの音速は約3800m/秒であるので、圧電体2における周波数が500kHzの超音波の波長は、7.6mmとなる。このため、本実施の形態では、厚さが約3.8mmで、直径が12mmの円柱形状を有する圧電体2を用いる。
The
圧電体2の上下両面には、焼付けによる銀製の電極3a、3bが設けられ、圧電体2は、この方向に分極処理されている。
音響整合部材4は、図1に示したように圧電体2と同じ直径12mmを有し、厚さは先に述べたように1/4波長としている。本実施の形態で用いている音響整合部材の音速は1500m/秒であるので、500kHzにおける1/4波長である約0.75mmとしている。密度は500kg/m3であり、音響インピーダンスは7.5×105kg/m2/秒である。As shown in FIG. 1, the
以下、図3、および図4を参照しながら、音響整合部材4の製造方法について説明する。
Hereinafter, the manufacturing method of the
図3は、音響整合部材4の乾燥ゲル粒子8の製造フローを示しており、図4は乾燥ゲル粒子8を結合粒子10で結合する製造フローを示している。
FIG. 3 shows a manufacturing flow of the
図3のフローで得られるゲル粒子分散液が、図4における製造フローの入力になっており、図3のプロセスの後に、図4のプロセスがシリアルに続いていく関係にある。 The gel particle dispersion obtained by the flow of FIG. 3 is an input of the production flow in FIG. 4, and the process of FIG. 4 is serially followed after the process of FIG.
はじめに図3を参照しながら、乾燥ゲル粒子8の製造方法について説明する。図3全体の流れは、ゲル原料液を調合し、ブロック状の乾燥ゲルを形成した後、これを粉砕することで乾燥ゲル粒子8とするものである。
First, a method for producing the dried
本実施の形態では、乾燥ゲルは固体骨格部である中実粒子6がシリカ(SiO2)からなる乾燥ゲルを用いる。乾燥ゲルの骨格部分となる中実粒子のサイズは数nm程度であり、乾燥ゲル粒子8内の空孔サイズは数nm〜数十nm程度の比較的広い分散を持っている。In the present embodiment, a dry gel is used in which the
なお、乾燥ゲル粒子8としては、上記の他、アルミナ、酸化クロム、酸化スズ、カーボン、あるいはレゾルシノールとホルムアルデヒドの共重合体ポリマー等を用いてもよい。
In addition to the above, as the dried
また、最終的に形成される乾燥ゲル粒子8の大きさは数〜数十μm程度のサイズである。
Moreover, the size of the dried
以下、より具体的な製造手順について説明する。 Hereinafter, a more specific manufacturing procedure will be described.
はじめに、STEP1では乾燥ゲル原料液の調合を行う。乾燥ゲルの骨格部分の原料となるテトラエトキシシラン等のアルコキシシランと、エタノール、水、触媒(アンモニア、塩酸等)を混合した原料液を作製する。
First, in
ゲル原料液の配合比率は一例として、テトラエトキシシラン6%、エタノール20%、0.1規定のアンモニア水74%とすることが出来る。テトラエトキシシランのゲル原料液中における体積比率が形成される乾燥ゲルの密度に直接影響する。 As an example, the blending ratio of the gel raw material liquid can be 6% tetraethoxysilane, 20% ethanol, and 74% 0.1N ammonia water. The volume ratio of tetraethoxysilane in the gel raw material solution directly affects the density of the dried gel formed.
テトラエトキシシランの体積比が小さいと、密度の小さい乾燥ゲルが生成され、体積比が大きいと密度の大きい乾燥ゲルが生成される。 When the volume ratio of tetraethoxysilane is small, a dry gel with a low density is generated, and when the volume ratio is large, a dry gel with a high density is generated.
本実施の形態の乾燥ゲルでは、一例として乾燥ゲルの低密度特性を活かすため、密度0.1程度となるようなゲル原料液の配合比率を設定している。またこの密度は、このプロセスで結合粒子10によって接合し、音響整合部材として用いる際に取り扱いが容易で、強度の保てる密度となるように設定している。
In the dry gel of the present embodiment, for example, in order to take advantage of the low density characteristics of the dry gel, the blending ratio of the gel raw material liquid is set to a density of about 0.1. Further, this density is set so as to be a density that can be easily handled and can maintain strength when bonded by the binding
次に、STEP2では、調合したゲル原料液を恒温槽などの中で加熱し重合反応を開始、加速させる。一例として60℃の恒温槽中で24時間放置することで重合反応を完了する。温度と重合反応の速度はほぼ比例関係にあり、重合反応の速度はゲル原料液の粒子サイズに大きく影響を与えるため、所望のゲルを得るために反応温度の制御は重要である。また重合反応速度は、ゲルの特性の安定性にも関係している。 Next, in STEP2, the prepared gel raw material solution is heated in a thermostatic bath or the like to start and accelerate the polymerization reaction. As an example, the polymerization reaction is completed by leaving it in a constant temperature bath at 60 ° C. for 24 hours. Since the temperature and the rate of the polymerization reaction are in a substantially proportional relationship, and the rate of the polymerization reaction greatly affects the particle size of the gel raw material liquid, it is important to control the reaction temperature in order to obtain a desired gel. The polymerization reaction rate is also related to the stability of the properties of the gel.
重合速度が早いと、粒子サイズ、および空孔サイズが小さくなる傾向にあり、逆に反応速度が遅いと粒子サイズ、および空孔サイズが大きくなる傾向にある。 When the polymerization rate is high, the particle size and pore size tend to decrease, and conversely when the reaction rate is low, the particle size and pore size tend to increase.
粒子サイズが小さい乾燥ゲルは音速が低い傾向があり、逆に粒子サイズが大きい乾燥ゲルは音速が高い傾向がある。 A dry gel with a small particle size tends to have a low sound velocity, whereas a dry gel with a large particle size tends to have a high sound velocity.
気体用音響整合部材として用いる場合には、音速が遅いほうが有利であるため、数nm程度の粒子サイズとなるように反応速度、すなわち加熱温度を早めになるように制御してもよい。 When used as an acoustic matching member for gas, it is advantageous that the sound speed is slow. Therefore, the reaction rate, that is, the heating temperature, may be controlled so that the particle size is about several nanometers.
先に述べたようにゲル原料液の配合比率と、反応温度を調整することで、ゲル骨格および空孔粒子が適切に設定された比重0.1、内部空孔サイズが1〜20nm程度の乾燥ゲルを得ることが出来る。 As described above, by adjusting the blending ratio of the gel raw material liquid and the reaction temperature, the specific gravity of the gel skeleton and pore particles is appropriately set to 0.1, and the internal pore size is about 1 to 20 nm. A gel can be obtained.
以上のプロセスで、STEP3に記載したシリカ骨格の間に液体が充填された湿潤ゲルが得られる。シリカ骨格の間には、ゲル原料液に含まれていたエタノール、水、触媒、そして一部の未反応のアルコキシシランが存在している。
By the above process, a wet gel in which a liquid is filled between the silica skeletons described in
この湿潤ゲルに残留しているアルコキシシランは、外部の温度などの環境で重合反応を開始することがある。またアンモニア等の触媒が存在している環境で重合反応と共に、分解、溶解反応が開始することがある。そのため、これらの残留溶液は取り除いておいてもよい。 The alkoxysilane remaining in the wet gel may initiate a polymerization reaction in an environment such as an external temperature. In addition, decomposition and dissolution reactions may start together with the polymerization reaction in an environment where a catalyst such as ammonia exists. Therefore, these residual solutions may be removed.
STEP4では、以上のような特性を変動させる不安定要素を取り除くため、残留したゲル原料液、および触媒からの溶媒置換を行う。 In STEP4, in order to remove unstable elements that change the characteristics as described above, solvent replacement from the remaining gel raw material liquid and catalyst is performed.
置換する溶媒は、純水や、エタノール等のアルコール系溶媒、あるいはペンタン、ヘキサン等の有機系溶媒など、ゲル骨格の反応に影響を与えないものならよく、任意の置換溶媒を選択することが出来る。 The solvent to be substituted may be any solvent that does not affect the reaction of the gel skeleton, such as pure water, an alcohol solvent such as ethanol, or an organic solvent such as pentane or hexane, and any substitution solvent can be selected. .
本実施の形態では、後のプロセスで用いる水系エマルジョン樹脂と混合することを考慮して、溶媒として純水を選択する。形成された湿潤ゲルを反応容器から取り出し、湿潤ゲルの10倍程度の体積の純水を入れた容器中で24時間放置することで、湿潤ゲル中の残留アルコキシシラン、および触媒を除去する。 In the present embodiment, pure water is selected as a solvent in consideration of mixing with an aqueous emulsion resin used in a later process. The formed wet gel is taken out from the reaction vessel and left in a vessel containing pure water having a volume about 10 times that of the wet gel for 24 hours to remove residual alkoxysilane and catalyst in the wet gel.
STEP5、およびSTEP6では、得られたブロック状の湿潤ゲルを数μm程度の、所望の大きさの粒子とするため、ボールミルによる粉砕処理を行う。 In STEP5 and STEP6, the obtained block-shaped wet gel is pulverized by a ball mill in order to obtain particles having a desired size of about several μm.
ボールミルによる粉砕処理の原理は、テフロン(登録商標)製などの円筒型の容器に、湿潤ゲルと、ジルコニア製などの硬質のボールと共に充填し、円筒容器を回転させることで、円筒容器内で移動するジルコニアボールの衝突によりゲルが粉砕されるものである。 The principle of pulverization with a ball mill is that it moves in a cylindrical container by filling a cylindrical container such as Teflon (registered trademark) with a wet gel and hard balls such as zirconia and rotating the cylindrical container. The gel is crushed by the collision of the zirconia balls.
ボールミルによる粉砕の場合、時間とともに粒子径は小さくなっていく。また円筒容器の回転数が高くなると同一処理時間で得られる粒子のサイズは小さくなる、すなわち粉砕効率が高くなる。 In the case of pulverization with a ball mill, the particle size decreases with time. Further, when the rotational speed of the cylindrical container is increased, the size of particles obtained in the same processing time is reduced, that is, the pulverization efficiency is increased.
ただし、円筒容器内の粉砕用ボールが、円筒容器内の壁に張り付いたまま回転するほど回転数が早くなると粉砕効果が得られないため、ある一定の回転数以下で処理が行われる必要がある。 However, since the grinding effect cannot be obtained if the number of revolutions becomes so fast that the grinding balls in the cylindrical container rotate while sticking to the wall in the cylindrical container, the processing needs to be performed at a certain number of revolutions or less. is there.
また、粉砕用ボールのサイズ(直径)は、粉砕効率および、粉砕後の粒子径に影響を与える。ボールが大きいと、ボールの衝突時の衝撃が大きいため、粉砕効率が高くなる。すなわち単位時間あたりの粒径の変化が大きい。 Further, the size (diameter) of the ball for pulverization affects the pulverization efficiency and the particle size after pulverization. When the ball is large, the impact at the time of the collision of the ball is large, so that the grinding efficiency is increased. That is, the change in particle size per unit time is large.
しかしながら、ボールのサイズが大きい場合には、粉砕され出来る粒子サイズの分散が大きい傾向があり、本実施の形態では直径3mmのジルコニア製のボールを用いる。ジルコニアは固く、磨耗しにくい特性があるため、粉砕用ボールの素材として適切である。ジルコニアの他にアルミナ等を用いることも出来る。 However, when the ball size is large, there is a tendency that the dispersion of the particle size that can be pulverized tends to be large. In this embodiment, a zirconia ball having a diameter of 3 mm is used. Zirconia is suitable as a material for balls for grinding because it is hard and hard to wear. In addition to zirconia, alumina or the like can also be used.
また、円筒容器内のゲル、溶媒、ジルコニアボールの体積が、円筒容器の体積に対してある一定範囲以下で量が多い時に、粉砕効率が良くなる。本実施の形態では60%程度としている。 Further, when the volume of the gel, the solvent, and the zirconia balls in the cylindrical container is less than a certain range with respect to the volume of the cylindrical container, the pulverization efficiency is improved. In this embodiment, it is about 60%.
一例として、内径が150mmのテフロン(登録商標)製の円筒容器に、体積割合で20%のエアロゲルと、20%のジルコニアボールを入れ、更に水を20%入れて、90rpmで、1時間粉砕することで、平均粒子径が約8μmの乾燥ゲル粒子8を得ることが出来る。
As an example, 20% airgel and 20% zirconia balls are placed in a cylindrical container made of Teflon (registered trademark) having an inner diameter of 150 mm, and 20% zirconia balls are further added, followed by grinding at 90 rpm for 1 hour. Thus,
ここで、乾燥ゲル粒子8の平均粒子径を、レーザ回折法(島津製作所社製SALD)により測定した結果、約8μmであった。乾燥ゲル粒子8の微細空孔の平均サイズをガス吸着法(日本ベル株式会社製BELSORP−miniII)により測定した結果、約10nmであった。
Here, as a result of measuring the average particle diameter of the dried
こうして得られた乾燥ゲル粒子8から、粉砕用に用いたボールを除去して、一定の平均粒子径となったゲル粒子分散した溶液を得る。先に述べたように用いた粉砕用ボールは直径3mmであり、ゲル粒子は10μm程度であるため、1mm程度の目の開いたメッシュで容易に分離することができる。
The balls used for pulverization are removed from the dried
このようにして得られたゲル粒子分散液を、次のプロセスである結合粒子10による結合プロセスを行う。
The gel particle dispersion thus obtained is subjected to a binding process using the
結合粒子10による結合プロセス、および音響整合部材、超音波送受波器に至るプロセスを図4で示す。
FIG. 4 shows a coupling process by the
図4のSTEP8では、得られたゲル粒子分散液にエマルジョン樹脂分散液を添加する。エマルジョン樹脂分散液は、水などの水系溶媒に、微細な粒子状樹脂を分散させたものである。 In STEP8 of FIG. 4, an emulsion resin dispersion is added to the obtained gel particle dispersion. The emulsion resin dispersion is obtained by dispersing fine particulate resin in an aqueous solvent such as water.
近年、環境負荷低減対応に適した塗料や、コーティング剤などとして広く用いられるようになっている材料である。このようなエマルジョン樹脂分散液中の結合粒子10として、様々な素材を用いることが可能である。一例として、アクリル系や、エポキシ系、ウレタン系、酢酸ビニル系、スチレン系、オレフィン系などの樹脂を分散させたものが利用することが出来る。
In recent years, it is a material that has come to be widely used as a paint or coating agent suitable for reducing environmental impact. Various materials can be used as the binding
本実施の形態では、粒子径が800nm程度のエポキシ樹脂を分散させたエマルジョン樹脂分散液を用いている。 In this embodiment, an emulsion resin dispersion in which an epoxy resin having a particle size of about 800 nm is dispersed is used.
図5にはエポキシ樹脂の分子量と、粒子径の大きさの関係を示す。図5は横軸に粒子径、縦軸に分子量をとっている。図5では分子量で取りうる最大の粒子径を表記している。すなわち高分子であるエポキシの鎖状分子が完全に直線上になった場合の理論値を示しており、実際には、高分子は直線状で溶液中で存在していることは殆どなく、屈曲するか、あるいは丸まった糸のように球状になっている場合もあり、図5に示したサイズが最大サイズであり、通常はこれより小さい。 FIG. 5 shows the relationship between the molecular weight of the epoxy resin and the particle size. In FIG. 5, the horizontal axis represents the particle diameter, and the vertical axis represents the molecular weight. FIG. 5 shows the maximum particle size that can be taken by the molecular weight. In other words, it shows the theoretical value when the chain molecule of epoxy, which is a polymer, is perfectly linear. In fact, the polymer is linear and hardly exists in the solution, and is bent. Or, it may be spherical like a rounded thread, and the size shown in FIG. 5 is the maximum size and is usually smaller than this.
エポキシ樹脂の平均粒子径を、レーザー回折法(島津製作所社製SALD)により測定した結果、約1μmであった。 As a result of measuring the average particle diameter of the epoxy resin by a laser diffraction method (SALD manufactured by Shimadzu Corporation), it was about 1 μm.
エポキシ樹脂では、平均分子量が600未満では通常状態で液体状態であるため、本実施の形態の音響整合部材では利用することができない。また分子量と軟化点(流動、硬化)の間には、相関関係があり、分子量が大きくなると、同一温度における流動性は低くなる。 An epoxy resin is in a normal state and a liquid state when the average molecular weight is less than 600, and therefore cannot be used in the acoustic matching member of the present embodiment. Further, there is a correlation between the molecular weight and the softening point (flow, curing), and the fluidity at the same temperature decreases as the molecular weight increases.
STEP9では、ゲル粒子と、結合粒子10が混合した分散液の均一性を高めるために、均一化の処理を行う。均一化の処理は、通常のスターラーなどで行うことが出来る。あるいは分散液の粘度が高い場合には、回転ミキサーなどを用いることも出来る。本実施の形態では、回転ミキサーを用いて、5分の均一化処理を行う。
In STEP9, in order to improve the uniformity of the dispersion liquid in which the gel particles and the
平均分子量は、液体クロマトグラフ法(例えば、島津製作所社製Nexera)により測定される。 The average molecular weight is measured by a liquid chromatography method (for example, Nexera manufactured by Shimadzu Corporation).
STEP10では、こうして得られたゲル粒子と結合粒子10の分散液を、必要な形状に成型し、過剰な水分を除去する操作を行う。このために本実施の形態では、成型と過剰な水分除去の機能を同時に果たす石膏性の鋳型を用いる。
In
具体的には図6のように板状の石膏板11に、音響整合部材4のサイズとほぼ同形状のくぼみ12を設け、この部分にゲル粒子・結合粒子10分散液を鋳込み成型する。本実施の形態では、最終形状として音響整合部材4のサイズである直径12mm、厚さ1mmのペレットを得るため、くぼみの直径を20mmとし、深さを5mmとしている。
Specifically, as shown in FIG. 6, a hollow 12 having the same shape as the size of the
これは水分が除去され、収縮する寸法と、最終的には外周、および厚さを機械加工する必要があるため、余裕を見てこのサイズとしている。このサイズは実験的に決めたものである。 This is the size to allow for a margin, since it is necessary to machine the dimension to remove moisture and shrink, and finally the outer periphery and thickness. This size was determined experimentally.
石膏製の型は、水等の液体を完全には遮断せず、かつゲル粒子、結合粒子10を遮断する微細な空孔を保有しているため、鋳込みした分散液の表面からだけでなく、石膏素体自体からも水分を除去することが可能なため、効率的な水分の除去が可能となる。
Since the mold made of gypsum does not completely block liquid such as water and has fine pores that block gel particles and
これは乾燥工程の時間を短縮することができるだけでなく、例えば表面のみから水分が除去する場合に比べ、全体の形状が同じように収縮する為に、歪が低減し、成形や、組み立て時などの割れなどが発生しにくい。 This not only shortens the time of the drying process, but also reduces the distortion because the entire shape shrinks in the same way compared to when moisture is removed from the surface alone, for example during molding and assembly. It is difficult for cracks to occur.
本実施の形態では、水分除去のため、石膏型に鋳込みした分散液を40℃の恒温槽中で2日間放置した(STEP11)。この処理を行うことで水分の90%以上除去できる。こうして水分を除去した乾燥ゲル粒子8と結合粒子10の複合体の乾燥体を得ることができる。
In this embodiment, in order to remove moisture, the dispersion cast in the gypsum mold was left in a constant temperature bath at 40 ° C. for 2 days (STEP 11). By performing this treatment, 90% or more of the moisture can be removed. In this way, a dried product of the composite of the dried
ただし、この時点では、乾燥ゲル粒子8と結合粒子10は弱い分子間力によってのみ接合している状態であり、音響整合部材として用いるには強度が不足している。
However, at this time, the dried
STEP12では、これをさらに強固な結合とするため、石膏型に設置したまま、恒温槽の温度を150℃に上昇させる。150℃程度になると結合粒子10の粒径が特に小さい成分が溶融して液体状態になる。このような粒子径の小さい樹脂、すなわち分子量の小さい結合粒子10のみが選択的に、しかもほとんどが大きな樹脂の表面で流れていくため、乾燥ゲル粒子8内部の微細空孔に侵入することはない。
In STEP12, in order to make this a stronger bond, the temperature of the thermostatic bath is raised to 150 ° C. while being installed in the gypsum mold. When the temperature is about 150 ° C., a component having a particularly small particle size of the bonded
このような適切な温度を選ぶと、乾燥ゲル粒子8内部の空孔を殆ど破壊すること無く、乾燥ゲル粒子8同士を強固な結合で一体化することが可能となる。熱処理後は、急激な温度変化があると、形成した音響整合部材となる複合体に歪が発生し、割れや、欠けの原因となる可能性があるため、ゆっくりと除冷してもよい。
When such an appropriate temperature is selected, the dried
本実施の形態では150℃の加熱、効果の後、常温まで約6時間をかけて除冷した。こうして形成された複合体ブロックのサイズは、厚さ2mm、直径15mmであった。 In this embodiment, after heating at 150 ° C. and the effect, it was cooled down to room temperature over about 6 hours. The composite block thus formed had a thickness of 2 mm and a diameter of 15 mm.
このようにして強固な結合で構成された乾燥ゲル粒子8と結合粒子10の複合ブロック体を、音響整合として用いるために、STEP13では、外周加工と厚さ調整を行う。
In order to use the composite block body of the
まず、音波放射面、あるいは圧電体2と結合する面を研磨機により所定の厚さ1mmにまで厚さを調整する。その後、研磨面をホールドして、外周加工を行う。外周加工は直径12mmの円盤状の音響整合部材より一回り小さい治具によりホールドし、治具から露出している部分をヤスリにより回転させながら研磨することで調整した。
First, the thickness of the sound wave emitting surface or the surface coupled with the
乾燥ゲル粒子8の粒子間空隙の平均サイズを、水銀圧入法(島津製作所社製オートポア)により測定した結果、10μmであった。
It was 10 micrometers as a result of measuring the average size of the space | gap between the particle | grains of the
こうして得られた音響整合部材4は先に述べたように、密度0.50であり、音速は1500m/sである。このようにして得られた音響整合部材4を、STEP14では圧電体2の音波放射面に接合する。
As described above, the
この場合にも、分子量の小さいエポキシ樹脂を圧電体2との接合に用いると、硬化前の樹脂が流動して乾燥ゲル粒子8内部の空孔に侵入し、得られた音響整合部材の密度と特性が変動する可能性がある。また接着剤が少ない場合には、接合が実現できない可能性がある。
Also in this case, when an epoxy resin having a low molecular weight is used for bonding to the
このため圧電体2との接合にもエマルジョン状樹脂を用いてもよい。
For this reason, an emulsion resin may be used for bonding to the
まず、圧電体2の上面にエマルジョン状樹脂を塗布し、60℃の低温で過熱することで水分を除去する。こうして形成されたエマルジョン状樹脂層の上に、成形した音響整合部材を設置し、加圧しながら150℃まで更に加熱を行う。こうして圧電体2に乾燥ゲル粒子8と、結合粒子10からなる音響整合部材を設けた超音波送受波器が得られる。
First, an emulsion-like resin is applied to the upper surface of the
このようにして形成した超音波送受波器1の特性の一例を図7、および図8に示す。図7,8において、横軸は時間、縦軸は振幅の相対的な大きさを示すものである。
An example of the characteristics of the
図7は、1気圧の空気に対して超音波を送受波した場合の特性を示す図である。図7(a)が乾燥ゲルのみで形成した音響整合部材(音響インピーダンス0.1×10^6)による結果であり、図7(b)が本実施の形態によって作製した音響整合部材(音響インピーダンス0.75×10^6)による結果である。常温、常圧の空気に対しては、従来の乾燥ゲルのみからなる音響整合部材を用いた場合のほうが、高い感度が得られることがわかる。 FIG. 7 is a diagram showing characteristics when ultrasonic waves are transmitted / received with respect to air at 1 atm. FIG. 7A shows the result of the acoustic matching member (acoustic impedance 0.1 × 10 ^ 6) formed only with the dried gel, and FIG. 7B shows the acoustic matching member (acoustic impedance) produced according to the present embodiment. 0.75 × 10 ^ 6). It can be seen that higher sensitivity can be obtained when using an acoustic matching member made of only a conventional dry gel for air at normal temperature and normal pressure.
一方、図8には50気圧の空気に対して超音波を送受信した場合の特性を示す。高圧になると気体の密度が比例して上昇する。音速は圧力と相関が無い為、圧力が50倍になると音響インピーダンスは50倍となる。このため、音響整合部材として最適な音響インピーダンスは、常圧の空気の場合よりも大きくなる。 On the other hand, FIG. 8 shows characteristics when ultrasonic waves are transmitted / received to / from 50 atmospheres of air. At high pressure, the gas density increases proportionally. Since the speed of sound has no correlation with pressure, when the pressure increases 50 times, the acoustic impedance increases 50 times. For this reason, the optimum acoustic impedance as the acoustic matching member is larger than that in the case of atmospheric pressure air.
図8において、図8(a)が乾燥ゲルのみで形成した音響整合部材(音響インピーダンス0.1×10^6)による結果であり、図8(b)が本実施の形態によって作製した音響整合部材(音響インピーダンス0.75×10^6)による結果である。 8A is a result of an acoustic matching member (acoustic impedance 0.1 × 10 ^ 6) formed only with a dry gel, and FIG. 8B is an acoustic matching produced by the present embodiment. It is a result by a member (acoustic impedance 0.75 × 10 ^ 6).
図8より分かるように、本実施の形態における音響整合部材を用いた超音波センサのほうが、高い感度が得られ、すなわち超音波流量計の計測精度を向上することが可能となる。 As can be seen from FIG. 8, the ultrasonic sensor using the acoustic matching member in the present embodiment can obtain higher sensitivity, that is, the measurement accuracy of the ultrasonic flowmeter can be improved.
以上のように、本実施の形態の音響整合部材を用いると、乾燥ゲル材料を別の材料と複合して用いることにより、幅広い特性を持つ音響整合部材を形成することが出来、様々な気体、あるいは用途の超音波送受波器、超音波流量計を実現することが出来るものである。 As described above, when the acoustic matching member of the present embodiment is used, an acoustic matching member having a wide range of characteristics can be formed by using a dry gel material combined with another material. Alternatively, it is possible to realize an ultrasonic transducer and an ultrasonic flowmeter for use.
以上では、粒子状乾燥ゲルの重合からのプロセスを例に説明したが、市販の粒子状乾燥ゲルを用いることも可能である。 In the above, the process from the polymerization of the particulate dry gel has been described as an example, but a commercially available particulate dry gel can also be used.
このような場合、粒子状乾燥ゲルと、エマルジョン樹脂と、を混合するSTEP8以降を行うこととなる。この場合にはSTEP7までの手順が省略できる為、時間的コストを考慮してかかる方法を採用してもよい。しかし総合的なコストを勘案の上最適な方法を選択することが出来る。
In such a case,
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
本発明の音響整合部材は、気体を中心にした各種媒体との間で、超音波を送受波する装置に広く用いることができ、特に超音波を高精度に検出することが求められるセンシング、流量計測装置に好適に用いることが出来る。 The acoustic matching member of the present invention can be widely used in devices for transmitting and receiving ultrasonic waves between various media centered on gas, and in particular, sensing and flow rate required to detect ultrasonic waves with high accuracy. It can be suitably used for a measuring device.
1 超音波送受波器
2 圧電体(電気機械変換素子)
3a,3b 電極
4 音響整合部材
5 伝搬媒体
6 中実粒子
7 微細空孔
8 乾燥ゲル粒子
9 粒子間空隙
10 結合粒子1
3a,
Claims (13)
前記乾燥ゲル粒子は、内部に微細空孔を持つと共に、前記乾燥ゲル粒子間に粒子間空隙を保持し、
前記結合粒子は、前記乾燥ゲル粒子間に存在して前記乾燥ゲル粒子同士を結合し、
前記結合粒子の平均粒子径は、前記乾燥ゲル粒子の前記微細空孔の平均サイズより大きく、前記乾燥ゲル粒子の前記粒子間空隙の平均サイズより小さい音響整合部材。An acoustic matching member comprising dry gel particles and binding particles,
The dry gel particles have fine pores inside, and retain inter-particle voids between the dry gel particles,
The binding particles exist between the dry gel particles to bond the dry gel particles to each other,
The acoustic matching member, wherein an average particle diameter of the binding particles is larger than an average size of the fine pores of the dry gel particles and smaller than an average size of the interparticle voids of the dry gel particles.
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