KR20040086503A - 음향 정합층, 초음파 송수파기 및 초음파 유량계 - Google Patents

음향 정합층, 초음파 송수파기 및 초음파 유량계 Download PDF

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시라이시세이고
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Abstract

음향 정합층(1)은 밀도가 작고 음속이 느린 제 1 음향 정합층(2)과 제 1 음향 정합층(1)보다 밀도가 높고 음속이 빠른 제 2 음향 정합층(3)을 구비한다. 초음파 방사 매체와 음향 임피던스가 정합되는 제 1 음향 정합층(2)은 방사 매체 측에 제공되고, 제 2 음향 정합층(3)은 압전체 측에 제공된다. 따라서 초음파 송수파기는 고감도를 가질 수 있다.

Description

음향 정합층, 초음파 송수파기 및 초음파 유량계{ACOUSTIC MATCHING LAYER, ULTRASONIC TRANSMITTER/RECEIVER, AND ULTRASONIC FLOWMETER}
최근, 초음파의 전파로(電搬路) 전달 시간을 계측하여, 유체의 이동 속도를 측정하여 유량을 계측하는 초음파 유량계가 가스 메터(meter) 등에 이용되고 있다.
도 12는 초음파 유량계의 측정 원리를 나타낸 것이다. 도 12에 도시하는 바와 같이 관내에는 유체가 속도 V로 도면에 나타내는 방향으로 흐르고 있다. 관벽(103)에는, 1쌍의 초음파 송수파기(101),(102)가 마주 대하여 설치되어 있다. 초음파 송수파기(101),(102)는, 전기 에너지/기계 에너지 변환 소자로서 압전 세라믹 등의 압전체를 이용하여 구성되어 있고, 압전 부저, 압전 발진자와 같이 공진 특성을 나타낸다. 여기서는 초음파 송수파기(101)를 초음파 송파기로서 이용하고, 초음파 송수파기(102)를 초음파 수파기로서 이용한다.
그 동작은, 초음파 송수파기(101)의 공진 주파수 근방의 주파수의 교류 전압을 압전 진동자에 인가하면, 초음파 송수파기(101)는 초음파 송파기로서 작용하여, 외부의 유체 중에 동일 도면 중의 L1로 나타내는 전파 경로에 초음파를 방사하고, 초음파 송수파기(102)가 전파하여 온 초음파를 받아 전압으로 변환한다. 계속해서, 반대로 초음파 송수파기(102)를 초음파 송파기로서 이용하고, 초음파 송수파기(101)를 초음파 수파기로서 이용한다. 초음파 송수파기(102)의 공진 주파수 근방의 주파수의 교류 전압을 전압 발진자에 인가함으로써, 초음파 송수파기(102)는 외부의 유체 중에 동일 도면 중의 L2로 나타내는 전파 경로에 초음파를 방사하고, 초음파 송수파기(101)는 전파하여 온 초음파를 받아 전압으로 변환한다. 이와 같이, 초음파 송수파기(101),(102)는, 수파기로서의 역할과 송파기로서의 역할을 다하기 때문에, 일반적으로 초음파 송수파기라 불리워진다.
또한, 이러한 초음파 유량계에서는, 연속적으로 교류 전압을 전압을 인가하면 초음파 송수파기로부터 연속적으로 초음파가 방사되어 전파 시간을 측정하는 것이 곤란하게 되기 때문에, 통상은 펄스 신호를 반송파로 하는 버스트 전압 신호를 구동 전압으로 이용한다. 이하, 측정 원리에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
구동용의 버스트 전압 신호를 초음파 송수파기(101)에 인가하여 초음파 송수파기(101)로부터 초음파 버스트 신호가 방사되면, 이 초음파 버스트 신호는 거리가 L인 전파 경로 L1를 전파하여 t 시간 후에 초음파 송수파기(102)에 도달한다. 초음파 송수파기(102)에서는 전달되어 온 초음파 버스트 신호만을 높은 S/N 비로 전기 버스트 신호로 변환할 수 있다. 이 전기 버스트 신호를 전기적으로 증폭하여, 다시초음파 송수파기(101)에 인가하여 초음파 버스트 신호를 방사한다. 이 장치를 시크 어라운드 장치라고 부르고, 초음파 펄스가 초음파 송수파기(101)로부터 방사되어 전파로를 전파하여 초음파 송수파기(102)에 도달하는데 필요한 시간을 시크 어라운드 주기라 하고 그 역수를 시크 어라운드 주파수라고 한다.
도 12에 있어서, 관 내부를 흐르는 유체의 유속을 V, 유체 중의 초음파의 속도를 C, 유체가 흐르는 방향과 초음파 펄스의 전파 방향의 각도를 θ로 한다. 초음파 송수파기(101)를 초음파 송파기, 초음파 송수파기(102)를 초음파 수파기로서 이용하는 경우에, 초음파 송수파기(101)로부터 송신된 초음파 펄스가 초음파 송수파기(102)에 도달하는 시간인 시크 어라운드 주기를 t1, 시크 어라운드 주파수 f1이라고 하면, 다음 식(1)이 성립한다.
ㆍㆍㆍ(1)
반대로, 초음파 송수파기(102)를 초음파 송파기로서, 초음파 송수파기(l02)를 초음파 수파기로서 이용하는 경우의 시크 어라운드 주기를 t2, 시크 어라운드 주파수 f2라고 하면, 다음 식(2)의 관계가 성립한다.
ㆍㆍㆍ(2)
따라서, 양 시크 어라운드 주파수의 주파수 차 Δf는, 다음 식(3)으로 되고, 초음파의 전파 경로의 거리 L과 주파수 차 Δf로부터 유체의 유속 V를 구할 수 있다.
ㆍㆍㆍ(3)
즉, 초음파의 전파 경로의 거리 L과 주파수 차 Δf로부터 유체의 유속 V를구할 수 있어, 그 유속 V로부터 유량을 조사할 수 있다.
이와 같은 초음파 유량계에서는 정밀도가 요구되며, 그 정밀도를 향상시키기 위해서, 기체에 초음파를 송파(送波), 또는 기체를 전파하여 온 초음파를 수파(受波)하는 초음파 송수파기를 구성하고 있는 압전 진동자에 있어서의 초음파의 송수파면에 형성되는 음향 정합층의 음향 임피던스가 중요하게 된다.
도 10은 종래의 초음파 송수파기(10')의 구성을 나타내는 단면도이다. 초음파 송수파기(10')는, 압전체층(진동 수단)(4)과, 음향 임피던스 정합층(음향 정합 수단, 이하, 「음향 정합층」이라고 한다.)(1')과, 케이스(5)를 갖고 있다. 케이스(5)와 음향 정합층(1') 및 케이스(5)와 압전체층(4)은 접착제(예컨대 에폭시계)로 이루어지는 접착층을 이용하여 접착되어 있다. 압전체층(4)에서 진동된 초음파는 특정한 주파수(예컨대 500kHz)로 진동하고, 그 진동은 접착층(도시하지 않음)을 거쳐서 케이스에 전해지며, 또한 접착층을 거쳐서 음향 정합층(1')에 전해 진다. 정합한 진동은 공간에 존재하는 매체인 기체에 음파로서 전파한다.
이 음향 정합층(1')의 역할은 압전체층(4)의 진동을 효율 좋게 기체에 전파시키는 것에 있다. 물질 내의 음속 C과 밀도ρ로 식(4)와 같이 음향 임피던스 Z가 정의된다.
ㆍㆍㆍ(4)
음향 임피던스는 압전체층(4)과 초음파의 방사 매체인 기체에서는 크게 다르다. 예컨대, 압전체층(2)을 구성하는 일반적인 압전체인 PZT(티탄산지르콘산연) 등의 압전 세라믹의 음향 임피던스 Z1는 3O×1O6kg/sㆍm2정도이다. 또한, 방사 매체인 기체, 예컨대 공기의 음향 임피던스 Z3는 40Okg/sㆍm2정도이다. 이와 같이 음향 임피던스가 다른 경계면 상에서는 음파의 전파에 반사가 발생하여, 투과하는 음파의 세기가 약해진다. 이것을 해결하는 방법으로서, 압전체와 기체의 각각의 음향 임피던스 Zl과 Z3에 대하여, 양자간에 식(5)의 관계를 갖는 음향 임피던스를 갖는 물질을 삽입함으로써, 음의 반사를 경감하여 음파의 투과하는 강도를 높이는 방법이 일반적으로 알려져 있다.
ㆍㆍㆍ(5)
이 조건을 만족하는 음향 임피던스가 정합한 때의 최적의 값은, 11×1O4kg/sㆍm2정도가 된다. 이 음향 임피던스를 만족하는 물질은, 식(4)로부터 알 수 있는 바와 같이 고체로 밀도가 작고 음속이 느린 것이 요구된다. 일반적으로 이용되고 있는 재료로서, 유리 벌룬(balloon)(중공(中空)의 미소한 유리구)이나 플라스틱 벌룬(balloon)을 수지 재료로 굳힌 재료를 압전체층(「초음파 진동자」 라고도 한다.)의 진동면에 형성하여 사용되고 있다. 또한, 유리 벌룬을 열압축하는 방법, 또는 용융 재료를 발포시키는 등의 방법도 사용되고 있다. 이것은, 예컨대 일본 특허 제2559144호 공보 등에 개시되어 있다.
그러나 이러한 재료의 음향 임피던스는, 5O×1O4kg/sㆍm2보다 큰 값이며, 또한 기체와의 정합을 갖는 고감도를 얻기 위해서는 음향 임피던스가 더욱 작은 재료가 필요하다.
본 출원인은, 일본 특허출원 2001-56501호(출원일: 2001년 2월 28일)에, 건조 겔을 이용하여 음향 정합층을 형성함으로써, 종래의 유리 벌룬 수용 에폭시 수지계보다도 더욱 음향 임피던스를 저하시키는 것 및 건조 겔을 소수(疏水)화함으로써 내구성을 향상할 수 있는 것을 개시하고 있다.
상술한 바와 같이, 음향 정합층의 음향 임피던스를 작게 하여 초음파의 방사 매체인 기체와의 정합을 높이면, 초음파 송수파기로서의 감도가 매우 높게 된다. 그러나 유량계에 있어서 초음파에 의해 전파 시간을 계측하는 경우와 같이, 펄스 신호를 반송파로서 초음파를 송수신하면, 신호의 상승 응답성이 나빠져 버려, 도달 시간의 판정이 어렵게 된다. 즉, 통상은, 초음파의 수신 신호에 대하여, 소정 도달 검출 레벨 이상으로 된 파두(波頭) 신호를 검출하여 도달의 판정을 하고 있다. 그 때문에, 신호 출력의 상승이 양호하면 초음파의 파두의 차가 크고, 도달 판정하는 파도 머리의 신호를 양호하게 인식할 수 있어, 도달 판정을 오차없이 실행할 수 있다. 그에 대하여, 초음파의 수신 신호의 상승이 양호하지 않으면, 수신 초음파 출력의 파두의 차가 작아지기 때문에 도달 판정하는 파두의 식별이 어렵게 되어, 검출에 오차가 발생하기 쉽게 된다.
본 발명은, 초음파 센서의 음향 정합층에 이용되는 음향 정합층과, 초음파의 송수신을 행하는 초음파 송수파기 및 해당 초음파 송수파기의 제조 방법 및 해당 초음파 송수파기를 사용한 초음파 유량계에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실시형태의 음향 정합층의 모식적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시형태의 압전 진동자의 모식적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 형태로서 나타내는 초음파 송수파기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 4 형태로서 나타내는 초음파 송수파기의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시형태의 초음파 송수파기의 제조 방법에 있어서의 공정(a) 내지 (e)를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 다른 실시형태의 초음파 송수파기의 제조 방법에 있어서의 공정(a) 내지 (e)를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 7 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시형태의 음향 정합층에 적합하게 이용되는 분말 건조 겔을 포함하는 제 1 음향 정합층의 구조를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 8 (a) 내지 (c)는 본 발명에서 이용한 초음파 송수파기의 수신 출력 특성을 도시하는 도면으로, (a)는 단일 음향 정합층(유리에폭시)를 이용한 경우의 특성도, (b)는 단일 음향 정합층(실리카 건조 겔)을 이용한 경우의 특성도, (c)는 2층 음향 정합층(실리카 건조 겔, 실리카 다공체)를 이용한 경우의 특성도이다.
도 9 (a) 내지 (c)는 본 발명에서 이용한 초음파 송수파기의 진동 변위 주파수 특성을 도시하는 도면으로, (a)는 단일 음향 정합층(유리 벌룬/에폭시계)를 이용한 경우의 특성도, (b)는 단일 음향 정합층(실리카 건조 겔)을 이용한 경우의 특성도, (c)는 2층 음향 정합층(실리카 건조 겔, 실리카 다공체)을 이용한 경우의 특성도이다.
도 10은 종래의 초음파 송수파기의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 초음파 송수파기를 이용한 초음파 유량계를 나타내는 블록도이다.
도 12는 일반적인 초음파 유량계의 측정 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 행해진 것으로서, 음향 임피던스가 충분히 작은 초음파의 방사 매체인 기체에 정합하여 고감도인 초음파를 송수파할 수 있고또한, 신호의 상승 응답 특성을 양호하게 할 수 있는 초음파 송수파기용의 음향 정합층을 제공하는 것을 주된 목적으로 한다. 또한, 그것을 적용한 초음파 송수파기 및 그것을 이용한 유량계를 제공하는 것이다.
본 발명의 음향 정합층은, 압전체층과 기체의 음향 임피던스를 정합시키는 음향 정합층으로서, 밀도가 50kg/m3이상 500kg/m3이하의 범위 내에 있는 제 1 음향 정합층과, 밀도가 400kg/m3이상 15OOkg/m3이하의 범위 내에 있는 제 2 음향 정합층을 갖고, 또한, 상기 제 1 음향 정합층의 밀도는 상기 제 2 음향 정합층의 밀도보다도 작다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 음향 정합층의 밀도는 50kg/m3이상 400kg/m3이하의 범위 내에 있으며, 상기 제 2 음향 정합층의 밀도는 4O0kg/m3보다 크고 8OOkg/m3이하의 범위 내에 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 음향 정합층의 음향 임피던스 Za와 상기 제 2 음향 정합층의 음향 임피던스 Zb와의 관계는, Za<Zb이다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 음향 정합층의 두께는, 상기 제 1 음향 정합층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 약 4분의 1이다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 음향 정합층의 음향 임피던스는 5×1O4kg/sㆍm2이상 2O×1O4kg/sㆍm2이하의 범위 내에 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 2 음향 정합층의 두께는, 상기 제 2 음향 정합층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 약 4분의 1이다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 음향 정합층과 상기 제 2 음향 정합층은 모두 무기산화물을 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 음향 정합층은 건조 겔을 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 음향 정합층은 겔의 분말을 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 건조 겔의 고체 골격부는 무기산화물을 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 무기산화물은 산화규소이다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 무기산화물의 고체 골격부는 소수화되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 음향 정합층과 상기 제 2 음향 정합층은 직접 결합되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 음향 정합층과 상기 제 2 음향 정합층의 사이에 구조 지지층을 더 가지며, 상기 구조 지지층은 밀도 l00O kg/m3이상이며, 상기 구조 지지층의 두께는 상기 구조 지지층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 8분의 1미만이다.
본 발명의 초음파 송수파기는, 압전체층과, 상기 압전체층 상에 마련된 상기의 어느 하나의 음향 정합층을 구비하고, 상기 제 2 음향 정합층은 상기 압전체층측에 배치되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 음향 정합층은 상기 압전체층 상에 직접 결합되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 압전체층을 내포하는 오목부를 형성하는 상판과, 상기 오목부 내의 공간을 밀폐하도록 배치되는 바닥판을 갖는 케이스를 더 가지며, 상기 압전체층은 상기 케이스의 상기 상판의 내면에 접착되어 있고, 상기 음향 정합층은, 상기 상판을 거쳐서 상기 압전체층에 대향하도록 상기 상판에 결합되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 케이스는 금속 재료로 형성되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 케이스의 상기 상판은 상기 제 2 음향 정합층과 일체로 형성되어 있다.
본 발명의 초음파 송수파기의 제조 방법은, 상기의 어느 하나의 초음파 송수파기의 제조 방법으로서, 상기 압전체층 상에 또는 상기 압전체층을 상기 내면에 접합한 상기 상판 상에 상기 제 2 음향 정합층을 형성하는 공정과, 그 후에, 상기 제 2 음향 정합층 상에 건조 겔로 이루어지는 상기 제 1 음향 정합층을 형성하는 공정을 포함한다. 또는, 상기 제 2 음향 정합층 상에, 건조 겔로 이루어지는 상기 제 1 음향 정합층을 형성하고, 상기 음향 정합층을 얻는 공정과, 상기 압전체층 상에 또는 상기 압전체층을 상기 내면에 접합한 상기 상판 상에 상기 음향 정합층을 접합하는 공정을 포함한다.
본 발명의 초음파 유량계는, 피측정 유체가 흐르는 유량 측정부와, 상기 유량 측정부에 마련되어 초음파 신호를 송수신하는 한 쌍의 초음파 송수파기와, 상기 초음파 송수파기 사이의 초음파 전파 시간을 계측하는 계측 회로와, 상기 계측 회로부터의 신호에 근거하여 유량을 산출하는 유량 연산 회로를 구비하는 초음파 유량계로서, 상기 한 쌍의 초음파 송수파기의 각각은 상기의 어느 하나의 초음파 송수파기로 구성되어 있다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시의 형태를 설명한다.
본 발명에 따른 실시형태의 음향 정합층(1)은 도 1에 도시하는 바와 같이 밀도가 작고 음속이 느린 제 1 음향 정합층(2)과, 그것보다도 밀도가 높고 음속이 빠른 제 2 음향 정합층(3)을 구비한다. 제 1 음향 정합층(2)의 밀도는 50kg/m3이상 5OOkg/m3이하의 범위 내에 있고, 제 2 음향 정합층(3)의 밀도는 4O0kg/m3이상 15O0kg/m3이하의 범위 내에 있으며, 또한, 제 1 음향 정합층(2)의 밀도는 제 2 음향 정합층(3)의 밀도보다도 작다. 예컨대, 제 1음향 정합층(2)의 밀도는 50kg/m3이상 400kg/m3이하이며, 제 2 음향 정합층(3)의 밀도는 4O0kg/m3보다 크고 8O0kg/m3이하이다.
본 발명에 따른 실시형태의 압전 진동자(8)에 있어서는, 도 2에 나타내는 바와 같이 제 1 음향 정합층(2)은 방사 매체측에, 제 2 음향 정합층(3)은 압전체층(4) 측에 배치된다. 이와 같이 본 발명에 따른 음향 정합층(1)을 구비하는 압전 진동자(8)를 이용함으로써, 초음파 송수파기를 고감도화할 수 있다.
예컨대, 도 3에 나타내는 본 발명의 실시형태에 따른 초음파 송수파기(10A)는, 도 10에 나타낸 종래의 초음파 송수파기(10')의 음향 정합층(1') 대신에, 도 1에 나타낸 본 발명의 실시형태의 음향 정합층(1)을 갖고 있다. 초음파의 방사 매체와 음향 임피던스 정합한 제 1 음향 정합층(2)을 방사 매체 측에 배치하고 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 음향 임피던스가 충분히 작아 초음파의 방사 매체인 기체에 정합하여 고감도인 초음파 송수파할 수 있고 또한 신호의 상승 응답 특성이 좋은 우수한 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.
이하에, 도 8 (a) 내지 (c) 및 도 9 (a) 내지 (c)를 이용하여 본 발명에 따른 실시형태의 초음파 송수파기의 구성에 의해 얻어지는 효과에 대하여 상세히 설명한다.
도 8 (a) 내지 (c)는 초음파 송수파기의 초음파의 수신 출력 특성을 나타낸 것으로, 각 음향 정합층에 있어서의 수신 파형을 나타낸 것이다.
도 8 (a) 및 도 8 (b)은, 음향 정합층이 단층인 도 10에 나타낸 종래 구성의 초음파 송수파기(10')를 이용한 것이다. 도 8 (a)는, 유리 벌룬/에폭시계의 음향 정합층(두께 1.25mm, 음속 2500m/s, 밀도 500kg/m3)을 이용한 경우를 도시하며, 도 8 (b)는, 실리카 건조 겔의 음향 정합층(두께 90μm, 음속 180m/s, 밀도 200kg/m3)을 이용한 경우를 나타내고 있다.
도 8 (c)는, 도 3에 나타낸 본 발명에 따른 실시형태의 초음파 송수파기(10A)의 특성을 나타내는 도면이다. 제 1 음향 정합층(2)으로서, 실리카 건조 겔의 음향 정합층(두께 90μm, 음속 180m/s, 밀도 200kg/m3)을 이용하고, 제 2 음향 정합층(3)으로서, 실리카 다공체의 음향 정합층(두께 750μm, 음속 1500m/s, 밀도 57Okg/m3)을 이용한 경우를 나타내고 있다.
우선, 도 8 (a)와 (b)의 비교로부터, 저밀도인 건조 겔을 음향 정합층으로서 이용함으로써 종래부터 일반적으로 이용되고 있는 유리 벌룬/에폭시계를 이용한 경우보다도, 수신 출력 전압의 진폭 최대폭(피크 투 피크 전압)이 크게 되어, 감도가 향상하고 있음을 알 수 있다.
그러나 도 8 (b)에서는, 도 8 (a)에 비교해서 수신 신호의 상승이 둔하게 되어 있음을 알 수 있다. 또한, 상승에 있어서의 500kHz 초음파 신호의 각 파두와 그 전후의 파두의 출력값의 차가 작아져 있기 때문에, 도달 검출 레벨에 의해 전파 시간 검지의 허용 폭이 작아 오차 검지가 발생하기 쉽게 되어 검지가 어렵게 되어 있다. 이로부터, 음향 정합층으로서 실리카 건조 겔을 이용한 초음파 송수파기에서는, 고감도로 되지만, 상승 특성의 향상이 필요하다.
도 8 (c)와 같이, 실리카 건조 겔과 산화규소를 소성하여 제작한 실라카 다공체로 이루어지는 2층 구조의 음향 정합층을 이용함으로써, 피크 투 피크 전압이 커 감도가 높게 되며, 또한 상승 특성도 양호한 특성이 얻어진다. 이것은, 기체 측에 배치한 밀도가 작고 음속이 느린 제 1 음향 정합층에 의해서, 초음파의 방사 매체인 기체와의 음향 임피던스 정합을 취하여 고감도화를 도모할 수 있을 뿐 아니라, 압전체 측에 배치한 밀도가 높고 음속이 빠른 제 2 음향 정합층에 의해 양호한 상승 특성이 확보되어 있기 때문이라고 생각할 수 있다.
이러한 양호한 특성를 얻을 수 있었던 이유에 대하여 또한 도 9 (a) 내지 (c)를 이용하여 설명한다. 도 9 (a) 내지 (c)는 각각 도 8 (a) 내지 (c)에 대응하는 초음파 송수파기의 진동 변위 주파수 특성을 도시하는 도면이다.
도 9 (a)와 같이 종래의 유리 벌룬/에폭시계의 음향 정합층에서는, 아직 기체와의 음향 임피던스의 정합이 충분하지 않기 때문에, 2극 특성을 나타내고 주파수 대역이 넓다. 그 때문에, 초음파의 펄스 신호에 대한 응답이 향호하여 상승 특성이 좋게 된다. 그에 대하여, 도 9 (b)에 나타내는 실리카 건조 겔의 음향 정합층에 있어서는, 기체와의 음향 임피던스가 정합하기 때문에 1극 특성을 나타내어 협대역화한다. 그 때문에, 고감도로 되지만, 공진 주파수보다도 빠른 변화에 응답하기 어렵기 때문에 펄스 신호에 대한 상승 특성이 나빠진다.
이들의 단층에서의 음향 정합층에 대하여, 도 9 (c)에 나타내는 본 발명의음향 정합층의 구성으로 하면, 제 1 음향 정합층과 제 2 음향 정합층의 2층 구조이기 때문에, 진동 변위의 주파수 특성은 3극 특성을 나타내는 것으로 되어, 대역이 넓어진다. 그 때문에, 상승 응답이 빠르게 될 뿐 아니라, 방사 매체인 기체와의 음향 임피던스의 정합을 그것에 면하는 제 1 음향 정합층에 의해 취하고 있기 위해서 감쇠가 적아 감도가 높게 되는 것이다.
본 발명에 따른 실시형태의 2층 구조를 갖는 음향 정합층을 이용함으로써, 기체에 초음파를 방사하여 계측 등을 할 때에 이용하는 초음파 송수파기에 있어서, 종래의 단층의 음향 정합층에서는 달성할 수 없던 고감도이며 응답성이 좋은 초음파의 송신과 수신을 할 수 있다. 또한, 이러한 초음파 송수파기를 이용함으로써, 고감도이며 특성 편차가 작아 유량 계측의 안정성의 향상을 도모할 수 있는 초음파 유량계를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 실시형태의 음향 정합층은, 전형적으로는 2층 구조이지만, 압전체층에 가까울수록 음향 정합층의 밀도가 높게 되고, 방사 매체측의 표면에 가까울수록 음향 정합층의 밀도가 낮게 되도록, 3 이상의 음향 정합층을 배치하더라도 좋다.
이하에, 본 발명의 구체적인 실시형태에 대하여 도면을 이용하여 설명한다.
(실시형태1)
도 1에 본 발명에 따른 실시형태의 음향 정합층(1)의 구성을 모식적으로 나타낸다.
음향 정합층(1)은 밀도가 5Okg/m3부터 5OOkg/m3의 범위 내에 있는 제 1 음향 정합층(2)과, 밀도가 400kg/m3로부터 1500kg/m3의 범위 내에 있는 제 2 음향 정합층(3)이 적층된 구조를 갖고 있다. 또한, 제 1 음향 정합층(2)의 밀도보다도 제 2 음향 정합층(3)의 밀도가 높다.
제 1 음향 정합층(2)은 초음파의 방사 매체인 기체에 대하여 음향 임피던스의 정합하여 고감도화를 도모하는 역할이다. 이때, 제 1 음향 정합층(2)의 음향 임피던스 Za와 제 2 음향 정합층(3)의 음향 임피던스 Zb의 관계가 Za<Zb인 것이 바람직하다. 이 제 1 음향 정합층(2)의 음향 임피던스의 값으로는, 예컨대 공기와 세라믹 압전체의 음향 임피던스의 정합을 취하기 위한 값인 약 11×1O4kg/sㆍm2정도가 바람직하다. 그러나 다른 기체로서 가연성 가스의 유량 계측에 본 발명의 음향 정합층을 이용한 초음파 송수파기를 이용하는 경우를 예로 하면, 제 1 음향 정합층의 음향 임피던스로는, 예컨대 수소에 대해 5×1O4kg/sㆍm2정도의 값으로부터 프로판에 대한 12×1O4kg/sㆍm2정도의 값까지를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 그 밖의 가스나 혼합 가스 등도 고려할 때에는, 5×1O4kg/sㆍm2이상 2O×1O4kg/sㆍm2이하의 범위 내에 있는 것이 특히 바람직하다. 또한, 대상의 기체에 대한 음향 임피던스의 정합을 약간 벗어난 상태에서도, 제 1 음향 정합층(2)에서 얻어지는 음향 임피던스의 영역에서는 높은 감도를 얻을 수 있기 때문에, 5O×1O4kg/sㆍm2이하, 바람직하게는 O.5×1O4kg/sㆍm2이상 5O×1O4kg/sㆍm2이하의 범위이다.
제 1 음향 정합층(2)이 상술한 음향 임피던스를 얻기 위해서는, 밀도가 5Okg/m3이상 5OOkg/m3이하의 범위 내이며 음속이 500m/s 미만인 것을 사용한다. 이때에, 제 2 음향 정합층(3)은 밀도가 400kg/m3이상 1500kg/m3이하의 범위 내이고 음속이 500m/s 이상인 것이 바람직하다. 단, Za<Zb의 관계가 성립하도록 설정한다. 또한, 제 2 음향 정합층(3)의 음향 임피던스 Zb는 초음파를 발신하는 압전체층의 음향 임피던스보다도 작은 것이 바람직하다.
또한, 음향 임피던스를 정합하여 감도를 향상하는 데에는, 음향 정합층의 두께에도 관계가 있다. 음향 정합층을 투과하는 초음파가 음향 정합층과 초음파의 방사 매체의 경계면 및 음향 정합층과 초음파 진동자의 경계면에서의 반사 계수를 고려하여 구한 초음파의 반사율이 가장 작아지는 조건의 경우, 즉, 음향 정합층의 두께가 초음파 발진 파장의 4분의 1일 때에 투과 강도가 최대로 된다. 따라서 제 1 음향 정합층(2)의 두께가, 그 음향 정합층 내를 통과하는 초음파 발진 파장의 약 4분의 1인 구성으로 하는 것도 고감도화에 효과가 있다. 또한, 제 2 음향 정합층(3)의 두께가, 그 음향 정합층 내를 통과하는 초음파 발진 파장의 약 4분의 1인 구성으로 하는 것도 효과가 있어, 제 1 음향 정합층(2) 및 제 2 음향 정합층(3)을 모두 약 4분의 1 파장이 되도록 하는 것이 가장 효과가 크다. 또한, 초음파의 발진 파장의 약 4분의 1은 8분의 1파장 내지 8분의 3 파장 길이의 범위 정도이다. 즉, 그 이상으로 작으면 음향 정합층으로서 작용하지 않게 되고, 그것보다 크면 반사율이 극대로 되는 2분의 1파장에 근사하기 때문에 감도가 반대로 저하돼 버린다.
본 발명의 음향 정합층(1)의 재료로서는, 제 1 음향 정합층(2)은 밀도가 5Okg/m3이상 5OOkg/m3이하의 범위 내이며, 음속이 500m/s 미만인 조건의 재료가 바람직하다. 또한, 제 2 음향 정합층(3)은 밀도가 4OOkg/m3이상 150Okg/m3이하의 범위 내이며, 음속이 500m/s 이상인 조건의 재료가 바람직하다.
제 1 음향 정합층(2)의 구체적인 재료로서는, 유기고분자, 무기재료의 섬유체, 폼(form)체, 소결다공체, 건조 겔 등이 후보이나, 특히 건조 겔을 이용하는 것이 바람직하다.
여기서, 「건조 겔」은 , 졸겔 반응에 의해서 형성되는 다공체이며, 겔 원료액의 반응에 의해서 고체화한 고체 골격부가 용매를 포함하여 구성된 습윤(濕潤) 겔을 거쳐, 건조하여 용매 제거함으로써 형성되는 것이다.
건조 겔을 얻기 위해서, 습윤 겔로부터 용매 제거하여 건조하는 방법으로서는, 초임계 건조, 동결 건조 등이 특별한 조건의 건조 방법이나, 가열 건조, 감압 건조, 자연 방치 건조 등의 통상의 건조 방법을 이용할 수 있다.
초임계 건조는, 용매를 그 임계점 이상의 온도, 압력 조건으로 한 초임계 상태로 제거하는 방법이며, 기액계면(氣液界面)이 없이 겔의 고체 골격부에 건조 스트레스를 부여하지 않기 때문에 수축하거나 하는 일 없이, 매우 저밀도의 건조 겔을 얻을 수 있다. 그 반면, 초임계 건조로 얻은 건조 겔은, 사용 환경에서의 스트레스, 예컨대 결로나 열 스트레스, 약품 스트레스, 기계 스트레스 등의 영향을 받을 수도 있다.
그에 대하여, 통상의 건조 방법에 의해서 얻어지는 건조 겔은, 건조 스트레스에 견딜 수 있기 때문에, 그 후의 사용 환경에서의 스트레스에 대해서도 내구성이 높다고 하는 특징이 있다. 이러한 통상의 건조 방법으로 저밀도의 건조 겔을 얻기 위해서는, 건조하기 전에 습윤 겔의 단계에서, 고체 골격부가 스트레스에 견딜 수 있도록 해 놓을 필요가 있다. 예컨대, 고체 골격부를 숙성하여 강도를 증가시키거나, 소수화할 때에 고체 골격부를 보강하도록 온도 조건이나 중합하기 쉬운 다관능의 소수화제(疏水化劑)를 적용하거나, 세공(細孔)의 크기를 제어하거나 하는 것으로 실현할 수 있다. 특히, 기체의 유량을 계측하는 때는, 여러가지의 환경에서 사용되는 일이 있기 때문에, 통상의 건조 방법으로 제작한 건조 겔로 음향 정합체를 얻는 것이 바람직하다. 또한, 통상의 건조 방법을 적용하는 경우에는, 초임계 건조와 같은 고압의 프로세스가 아니기 때문에, 설비가 간단하게 되고, 취급도 쉽다는 등의 이점도 있다.
상술한 방법으로 얻어지는 건조 겔은, 나노메터(nanometer)사이즈의 고체 골격부에 의해서 평균 세공 직경이 1nm에서 1OOnm의 범위 내에 있는 연속 기공이 형성되어 있는 나노(nano) 다공체이다. 그 때문에, 밀도가 50Okg/m3이하, 바람직하게는 4OOkg/m3이하의 저밀도인 상태에서는, 건조 겔이 갖는 특이한 그물코 형상 골격을 형성하고 있는 고체 부분을 전파하는 음속이 극단적으로 작아짐과 동시에, 세공에 의해서 다공체 내의 기체 부분을 전파하는 음속도 극단적으로 작아진다고 하는성질을 갖는다. 그 때문에, 음속으로 500m/s 이하의 매우 느린 값을 나타내어, 낮은 음향 임피던스를 얻을 수 있다고 하는 특징을 갖는다.
또한, 나노메터 사이즈의 세공부에서는, 세공 사이즈가 기체 분자의 평균 자 유 행정과 동일한 정도 이하로 되어 있고, 기체의 압력 손실이 커 음향 정합층으로 이용한 경우에, 음파를 높은 음압으로 방사할 수 있다고 하는 특징도 갖는다.
또한, 건조 겔의 재료로는, 무기재료, 유기고분자재료 등을 이용할 수 있다. 무기산화물의 건조 겔의 고체 골격부는, 산화규소(실리카) 또는 산화알루미늄 (알루미나) 등 졸겔 반응으로 얻어지는 일반적인 세라믹을 성분으로서 적용할 수 있다. 또한, 유기고분자의 건조 겔의 고체 골격부로는, 일반적인 열경화성 수지, 열가소성 수지에 의해 구성할 수 있다. 예컨대, 폴리우레탄, 폴리요소, 페놀경화 수지, 폴리아크릴아미드, 폴리메타크릴산메틸 등을 적용할 수 있다.
또한, 이것들의 건조 겔을 분쇄함으로써 얻어지는 분말(분말 건조 겔)을 이용하여도 좋다.
제 2 음향 정합층(3)의 재료로는, 유기고분자, 무기재료의 섬유체, 폼(form)체, 소결다공체, 유리 벌룬이나 플라스틱 벌룬을 수지 재료로 굳힌 재료, 유리 벌룬을 열 압축한 재료 등을 이용할 수 있다.
제 2 음향 정합층(3)은, 제 1 음향 정합층(2)보다도 밀도가 높고, 음속이 빠르게 되어 음향 임피던스가 커지는 것이 좋다. 보다 구체적으로는, 밀도가 4OOkg/m3이상 15O0kg/m3이하의 범위 내에 있는 것을 이용한다. 이 범위의 밀도는, 초음파의 방사 매체인 기체에 대한 음향 임피던스의 정합을 크게 이동시키지 않고 초음파를 송수파하는데 충분한 감도를 얻을 수 있으며, 응답성도 우수한 특성을 얻을 수 있다. 그 이상의 밀도가 되면 압전체의 음향 임피던스에 가깝게 되는 경향이 있기 때문에, 본 발명의 음향 정합층의 구성으로의 효과가 저하해 버리기 때문에 감도 향상과 응답성을 양립한 특성을 얻기 어렵게 된다. 제 2 음향 정합층(3)의 밀도의 상한은 800kg/m3이어도 좋다.
제 2 음향 정합층(3)으로서, 예컨대, 유리 벌룬을 열경화 수지로 성형한 음향 정합층이나, 산화규소 원료와 고분자 용구(beads)를 혼합하여 소성하여 고분자 제거한 산화규소 다공체 음향 정합층, 유리 벌룬을 열결착(열압축)하여 성형한 음향 정합층 등을 적합하게 이용할 수 있다.
제 2 음향 정합층(3)이 연속 기공 구조를 갖는 경우에는, 건조 겔로 이루어지는 제 1 음향 정합층(2)을 형성할 때에 특히 원료액의 침투가 발생하는 경우가 있다. 이 경우에는, 침투가 발생한 채로 제 1 음향 정합층(2)을 형성할 수도 있지만, 그 침투를 피하기 위해서는 제 2 음향 정합층(3)의 표면에 구조 지지층을 형성하더라도 좋다. 단, 제 1 음향 정합층(2)이 제 2 음향 정합층(3)에 부분적으로 침투한 경우에는 양자의 밀착성이 높아진다고 하는 효과도 있다. 따라서 제 1 음향 정합층(2)과 제 2 음향 정합층(3)의 조합에 의해 구성을 결정하면 좋다.
제 1 음향 정합층(2)과 제 2 음향 정합층(3)이 모두 무기산화물인 경우에는, 내습 신뢰성이나, 내화학 약품성이 우수함과 동시에, 음향 임피던스의 온도 특성이우수하다. 즉, 무기산화물의 건조 겔을 이용하면, 25℃ 이상 70℃ 이하의 범위 내에서의 음향 임피던스의 온도 변화율이, -0.04%/℃ 이하(절대값이 0.04%/℃ 이하라는 의미)의 음향 정합층을 얻을 수 있다. 이에 대하여, 종래의 에폭시/유리 벌룬계나, 유기고분자 겔을 이용하면, 상기 음향 임피던스의 온도 변화율의 절대값을 O.04%/℃ 이하로 하는 것은 어렵다.
음향 임피던스의 온도 변화율이 작으면, 예컨대 후술하는 초음파 유량계에 이용한 경우, 넓은 온도 범위에 걸쳐 높은 측정 정밀도를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 제 1 음향 정합층과 제 2 음향 정합층이 화학 결합하여 이루어지는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해서, 초음파 진동에 대한 밀착성의 확보나, 취급의 용이함이나, 초음파 송수파기의 사용 시의 진동에 대한 내구성 등에 대하여 유효하게 된다. 이때에, 제 1 음향 정합층의 건조 겔의 무기산화물이 산화규소인 경우에는, 졸겔 반응에 의한 음향 정합층을 형성하기 쉽기 때문에 바람직하다. 또한, 제 2 음향 정합층(3)도 산화규소를 이용하면 재질의 차이에 의한 특성의 영향을 저감할 수 있다고 생각된다. 이 구성의 경우에는, 제 2 음향 정합층(3)의 산화규소의 표면 수산기는, 제 1 음향 정합층(2)을 졸겔 반응으로 형성할 때에 존재하는 실라놀기와 화학 결합하기 쉽기 때문에, 바람직한 효과가 얻어진다.
또한, 무기산화물을 이용하여 음향 정합층을 형성하면, 흡습에 의한 내습성의 과제가 걱정되기 때문에 무기산화물의 고체 골격부가 소수화(援水化)(발수화(撥水化))되어 있는 것이 바람직하다. 소수화함으로써, 예컨대, 계측 대상의 기체 중에 수분이나 불순물이 존재한 경우에, 그들의 흡착이나 부착의 영향을 받기 어렵게 될 수 있기 때문에, 보다 신뢰성이 높은 음향 정합층을 얻을 수 있다.
무기산화물의 고체 골격부의 소수화는, 예컨대 실란 커프링(coupling)제 등의 표면 처리제를 이용하여 실행한다. 표면 처리제로서는, 트리메틸클로르실란, 지메칠지클롤시란, 메틸트리클로로실란(methyltrichlorosilan), 에틸트리클로로실란 등의 할로겐계 실란 처리제, 트리메틸메톡시실란, 트리메틸에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 메틸트리에톡시실란 등의 알콕시계 실란 처리제, 헥사메틸디실록산, 디메틸실록산올리고마 등의 실리콘계 실란 처리제, 헥사메틸디실라잔 등의 아민계 실란 처리제, 프로필알콜, 부틸알콜, 헥실알콜, 옥타놀(Octanol), 데카놀 등의 알콜계 처리제 등을 이용할 수 있다.
또한, 이들의 처리제가 갖는 알킬기의 수소가 일부 또는 모두가 불소로 치환한 불소화 처리제를 이용하면, 소수화(撥水性)에 덧붙여, 발유성(撥油性), 방오성(防汚性) 등의 더욱 우수한 효과를 얻을 수 있는 것이다.
(실시의 형태 2)
도 2에, 본 발명에 따른 실시형태의 초음파 송수파기에 이용되는 압전 진동자(8)의 단면 구조를 모식적으로 나타낸다. 압전 진동자(8)는, 초음파 유량계의 초음파 송수파기에 이용된다.
전기-초음파 상호 변환을 하는 압전 진동자(8)는, 압전체층(4)과 실시의 형태 1에서 설명한 음향 정합층(1)으로 구성되어 있다. 압전체층(4)은 초음파 진동을발생하는 것으로, 압전 세라믹이나 압전 단결정 등으로 이루어지며, 두께 방향으로 분극되고, 상하면에 전극(도시하지 않음)을 갖고 있다. 음향 정합층(1)은 상술한 바와 같이 기체에 초음파를 송파 또는 기체를 전파하여 온 초음파를 수파(受波)하기 위한 것으로, 구동 교류 전압에 의해 여진되는 압전체층(4)의 기계적 진동이 외부의 매체에 초음파로서 효율 좋게 방사되어, 도래한 초음파가 효율 좋게 전압으로 변환되는 역할을 하며, 압전체층(4)에 있어서의 초음파의 송수파면을 형성하는 상태로 하여 압전체층(4)의 한 쪽에 형성되어 있다.
음향 정합층의 기계적인 강도를 향상하고, 취급을 쉽게 하기 위해서, 음향 정합층(1)의 제 1 음향 정합층(2)과 제 2 음향 정합층(3) 사이에 구조 지지층을 마련하더라도 좋다. 구조지지층으로서는, 밀도가 800kg/m3이상, 바람직하게는 1OOOkg/m3이상이며, 그 구조 지지층의 두께가 구조 지지층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 8분의 1미만인 것이 바람직하다. 즉, 구조 지지층은 밀도가 높고 음속이 빠름에 따라, 그 두께가 초음파 발진 파장보다도 충분히 작은 때에는, 초음파의 송수파에는 영향이 극히 작아진다. 구조 지지층을 형성하는 재료로서는, 금속 재료나, 세라믹, 유리 등의 무기시트, 플라스틱시트 등의 보호 코트를 이용할 수 있다. 제 l 음향 정합층(2)과 제2 음향 정합층(3)을 접착층(접착제 또는 접착 시트)을 거쳐서 접합한 경우, 접착층이 구조 지지층으로서 기능한다.
압전체층(4)을 케이스의 내면에 접착하고, 케이스의 외면에 음향 정합층(1)을 접착하는 구성을 채용하는 경우, 압전체층(4)과 음향 정합층(1)의 사이에 존재하는 케이스를 구성하는 상판이 구조 지지층으로 기능한다.
또한, 제 1 음향 정합층(2)의 표면(기체측)에 구조 지지층을 형성하더라도 좋다. 밀도가 높은 재료로 지지되기 때문에, 음향 정합층(1)의 취급성이 향상하고, 밀착성이 향상함으로써 내구성도 향상한다고 라는 바람직한 효과를 얻을 수 있다.
(실시의 형태 3)
도 3에, 본 발명에 따른 실시형태의 초음파 송수파기의 모식적인 단면도를 나타낸다.
도 3에 나타내는 초음파 송수파기(10A)는, 실시형태 1의 음향 정합층(1)과 압전체층(4)을 이용하여 압전 진동자를 구성한 초음파 송수파기이다.
초음파 송수파기(10A)는, 압전체층(4)을 내포하는 오목부를 형성하는 상판(5a)과, 오목부 내의 공간을 밀폐하도록 배치되는 저판(5b)을 갖는 케이스(밀폐용기)(5)를 더 갖고 있다. 압전체층(4)은 케이스(5)의 상판(5a)의 내면에 결합(접착)되어 있고, 음향 정합층(1)은, 상판(5a)을 거쳐서 압전체층(4)에 대향하는 위치에 상판(5a)의 상면에 결합(접착) 되어 있다.
압전체층(4)과 음향 정합층(1)의 사이에 존재하는 상판(5a)은, 구조 지지층으로서도 기능한다. 상판(5a)의 두께는, 초음파 발진 파장보다도 충분히 작은 것이 바람직하고, 상판(5a) 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 8분의 1미만인 것이 바람직하다. 또한, 상판(5a)의 밀도는 8OOkg/m3이상인 것이 바람직하고, 1OOOkg/m3이상인 것이 보다 바람직하다.
케이스(5)를 도전성 재료(예컨대, 금속 재료)로 작성함에 따라, 케이스(5)는 구조 지지 부재로서 기능하며 또한, 압전체층(4)을 발진, 또는 수신한 초음파를 검지하기 위한 전극(배선)의 기능도 한다. 압전체층(2)의 한 쌍의 주면에 형성되어 있는 전극(도시하지 않음)은, 케이스(1)를 거쳐서 한 쪽의 단자(7)에 접속되고, 다른 쪽은 와이어 등에 의해서 다른 쪽의 단자(7)에 접속되어 있다. 따라서 케이스(l)는, 일반적으로 도전성을 갖는 금속으로 형성된다. 또한, 다른 쪽의 단자(7)는 절연체(6)에 의해서 케이스(5)로부터 절연되어 있다.
압전체층(4)에 케이스(5)의 상판(5a)을 거쳐서 대향하도록 배치된 음향 정합층(1)은, 압전체층(4)측으로부터 초음파를 방사하는 매체를 향하여 제 2 음향 정합층(3)과 제 1 음향 정합층(2)을 이 순서로 적층하고 있다. 음향 정합층(1)을 이와 같이 배치함으로써, 도 8 (c) 및 도 9 (c)를 참조하면서 상술한 바와 같이, 감도가 높고, 응답성이 좋은 초음파 송수파기(10)를 얻을 수 있다.
가연성 가스를 검지 대상으로 하는 경우는, 압전체층(4)을 케이스(5) 내에 수용하는 것으로, 압전체층(4)을 가스와 격리할 수 있다. 케이스(5)의 내부(오목부)는 질소 등의 불활성 가스로 퍼지해 놓는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 가연성 가스를 대상으로 한 초음파 유량계에 이용한 경우에, 안전성이 높다는 이점을 얻을 수 있다. 또한, 가연성 가스에 접촉하는 음향 정합층의 구성 재료도, 가스와 반응하거나, 연소하거나 하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 관점으로부터도, 음향 정합층을 무기산화물로 구성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성되어 있는 초음파 송수파기(10A)에서는, 구동 단자(7)에 초음파 송수파기의 공진 주파수 근방의 주파수의 교류 신호 성분을 가지는 버스트 신호 전압을 인가하면, 압전체층(4)은 두께 진동 모드로 진동하여, 기체 또는 액체 내 등의 유체 내에 버스트 형상의 초음파를 방사하게 된다.
(실시의 형태 4)
도 4에, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 초음파 송수파기의 단면도를 나타낸다.
도 4에 나타내는 초음파 송수파기(10B)는, 케이스(15)의 일부가 제 2 음향 정합층(13)으로 형성되어 있고, 압전체층(4)이 그 케이스(15)의 제 2 음향 정합층(13)의 내면에 배치되고, 제 1 음향 정합층(12)이 그 제 2 음향 정합층(13)의 압전체층(4)의 배치 위치에 대향한 외면에 배치되어 있다. 제 2 음향 정합층(13)이 구조 지지층으로서의 역할도 해내고 있다. 그 때문에, 제 2 음향 정합층(13)은 비교적 밀도가 높은 재료로 구성하는 것이 바람직하며, 제 2 음향 정합층(13)만으로는 초음파의 방사 매체인 기체와 음향 임피던스의 정합은 취하기 어렵다. 그러나 도 4와 같이, 제 2 음향 정합층(13) 상에 제 1 음향 정합층(12)을 더 적층한 구성으로 함으로써, 기체와의 음향 임피던스의 정합을 취하여, 고감도화 할 수 있다.
(실시의 형태 5)
도 5에 본 발명에 따른 실시형태의 초음파 송수파기의 제조 방법의 설명도를 나타낸다.
본 실시형태의 초음파 송수파기의 제조 방법은, 압전체층 또는 압전체층을 내면에 배치한 케이스에 제 2 음향 정합층을 형성한 후에, 건조 겔로 이루어지는 제 1 음향 정합층을 적층하는 공정을 포함하는 방법이다.
공정(a) : 제 2 음향 정합층(3)을 준비한다.
공정(b) : 압전체층(4) 및 케이스(5)를 준비한다.
공정(c) : 압전체층(4)과 제 2 음향 정합층(3)을 케이스(5)에 접착제 등을 이용하여 접합한다.
공정(d) : 제 2 음향 정합층(3) 상에, 건조 겔로 이루어지는 제 1 음향 정합층을 형성한다.
공정(e) : 전극, 단자판(케이스(5)의 저판)(5b)을 장치하여 초음파 송수파기를 얻는다.
제 1 음향 정합층(2)을 형성하는 공정(d) 은, 제 2 음향 정합층(3)의 위에, 겔 원료액을 도포하는 성막 공정, 그 겔 원료액으로부터 습윤 겔을 얻는 고체화 공정, 얻어진 습윤 겔층 중의 용매를 제거하여 건조 겔의 층을 얻는 건조 공정을 포함한다. 또한, 미리 건조 겔로 이루어지는 제 1 음향 정합층(2)을 형성해 놓고 접착제 등을 이용하여 제 2 음향 정합층(3) 상에 접합하여도 좋지만, 상술한 방법에 의하면, 제 1 음향 정합층(2)과 제 2 음향 정합층(3)을 직접 결합(접착층을 거치지않고 결합)할 수 있기 때문에 바람직하다.
제 1 음향 정합층(2)과 제 2 음향 정합층(3)의 적층 구조의 내구성을 향상하기 위해서, 제 1 음향 정합층(2)과 제 2 음향 정합층(3)을 화학 결합시킬 수도 있다. 예컨대, 제 2 음향 정합층(2)을 무기산화물로 구성하고, 제 2 음향 정합층(3)을 세정 등에 의해서 표면에 수산기가 존재하도록 처리해 놓으면, 제 1 음향 정합층(2)을 무기산화물의 건조 겔로 형성할 때에, 화학 결합을 형성할 수 있다. 표면에 수산기를 생성하는 처리 방법으로는, 산 또는 알칼리에 의한 세정, 수세(水洗), 자외선 조사, 오존 처리, 산소 플라즈마 처리 등을 이용하여 실행할 수 있다.
또한, 제 2 음향 정합층(3)이 연속 기공체일 때는, 제 1 음향 정합층(2)을 형성하기 위한 겔 원액이 침투하여, 더욱 강고한 화학 결합이 형성될 수 있다. 이때, 제 1 음향 정합층(2)과 제 2 음향 정합층(3)을 동일한 무기산화물로 형성하는 것이 바람직하다. 제 1 음향 정합층(2)과 제 2 음향 정합층(3)이 화학적으로 결합함으로써, 음향적인 결합이 강하게 되어 감도가 향상함과 더불어 특성의 안정성이나 신뢰성이 향상함으로 바람직하다.
(실시의 형태 6)
도 6에, 본 발명에 따른 다른 실시형태의 초음파 송수파기의 제조 방법의 설명도를 나타낸다.
본 실시형태의 초음파 송수파기의 제조 방법은, 제 2 음향 정합층(3)의 한쪽의 면에, 건조 겔로 이루어지는 제 l 음향 정합층(2)을 적층한 음향 정합층(1)을 형성한 후에, 압전체층(4) 또는 압전체층(4)을 내면에 배치한 케이스(5)에 음향 정합층(1)을 접합하는 공정을 포함하는 제조 방법이다.
공정(a) : 제 2 음향 정합층(3)을 준비한다.
공정(b) : 제 2 음향 정합층(3)의 한 면에, 제 1 음향 정합층(2)을 적층한다. 이 적층 방법은, 제 2 음향 정합층(3)의 위에, 겔 원료액을 도포하는 성막 공정, 그 겔 원료액으로부터 습윤 겔을 얻는 고체화 공정, 얻어진 습윤 겔층 중의 용매를 제거하여 건조 겔의 층을 얻는 건조 공정을 포함한다. 또한, 미리 건조 겔로 이루어지는 제 1 음향 정합층(2)을 형성해 놓고, 접착제 등을 이용하여 제 2 음향 정합층(3) 상에 접합하더라도 좋지만, 상술한 방법에 의하면, 제 1 음향 정합층(2)과 제 2 음향 정합층(3)을 직접 결합(접착층을 거치지 않고 결합)할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 제 1 음향 정합층과 제 2 음향 정합층의 적층 구조의 내구성을 향상하기 위해서, 실시형태 6과 동일한 방법을 이용할 수 있다.
공정 (c) : 압전체층(4) 및 케이스(5)를 준비한다.
공정 (d) : 제 1 음향 정합층(2)과 제 2 음향 정합층(3)을 적층한 음향 정합층(1)과, 압전체층(4)과 케이스(5) (c)를 접착체 등에 의해서, 접합한다.
공정 (e) : 전극, 단자판(케이스(5)의 저판)(5b)을 장치하여 초음파 송수파기를 얻는다.
(실시의 형태 7)
제 1 음향 정합층(2)을 건조 겔의 분말을 이용하여 형성할 수도 있다. 도 7 (a)에 나타내는 제 1 음향 정합층(2A)은, 건조 겔의 분말(이하, 「분말 건조 겔」이라고 한다.)(2a)과, 첨가제(2b)로 구성되어 있다. 제 1 음향 정합층(2A)을 건조 겔의 분말을 이용하여 형성함으로써, 습윤 겔의 건조 과정의 불균일에 기인하는 특성의 편차가 억제된다. 또한, 분말 건조 겔(2a)을 이용하면, 미리 분말 건조 겔(2a)을 제작해 놓는 것도 가능하기 때문에, 초음파 송수파기의 생산성을 향상할 수 있다고 하는 이점도 얻어진다. 즉, 상술한 초음파 송수파기의 제조 프로세스에 있어서, 겔 원료액을 고체화하여 습윤 겔을 얻는 공정 및 이것을 건조하는 공정을 미리 실행해 놓을 수 있기 때문에, 초음파 송수파기의 제조의 처리량(throughput)을 향상할 수 있다.
분말 건조 겔(2a)의 평균 입경은 1μm 이상 100μm 이하인 것이 바람직하다. 이 하한값보다도 작으면 분말 중의 세공수가 감소하여 건조 겔의 특징적인 효과가 저감됨과 더불어 성형할 때의 첨가제의 필요량이 증가하기 때문에 저밀도의 음향 정합층을 얻는 것이 어렵게 되는 경우도 있다. 분말 건조 겔(2a)의 평균 입경이 상한값보다도 크면, 음향 정합층의 두께 제어가 어렵게 되어, 두께의 균일성 및 표면의 평탄성이 충분한 음향 정합층을 형성하는 것이 어렵게 되는 경우도 있다.
분말 건조 겔(2a)을 서로 결합하여, 음향 정합층(2A)의 기계적인 강도를 향상하기 위한 첨가제(바인더)(2b)로서는, 열결착성(熱結着性)을 갖는 고분자 분말을 바람직하게 이용할 수 있다. 액상(液狀)의 재료를 이용하면, 건조 겔의 세공 내부에 침투하여, 음향 특성을 바꿔 버리거나, 성형성을 저하시키는 경우도 있기 때문에, 고형 재료, 특히 분말을 이용하는 것이 바람직하다.
여기서, 「열결착성 고분자」는, 실온에서 고형으로, 가열에 의해서 용융 또는 경화하고, 그 후 고화(固化)하는 고분자를 가리킨다. 열결착성 고분자는, 일반적인 열가소성 수지(예컨대, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 엔지니어링플라스틱)뿐 만아니라, 예컨대 실온에 있어서는 고형으로 가열에 의해서 일단 연화하고, 그 후, 가교경화(架橋硬化)하는 열경화성 수지(예컨대, 페놀 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지)를 이용할 수 있다. 또한, 열경화성 수지가 주제(主劑)와 경화제를 포함하는 경우, 각각을 다른 분말로서 첨가하더라도 좋다. 물론, 열가소성 수지와 열경화성 수지를 혼합하여 이용하더라도 좋다. 열결착성 고분자 분말의 용융(연화) 온도는 80℃ 이상 250℃ 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다.
첨가제로서 열결착성 고분자를 이용하면, 전형적으로는, 후술하는 바와 같이, 분말 건조 겔(2a)과 첨가제의 혼합 분말을 가열하면서 가압 성형할 때에, 용융(경화)한 첨가제가, 냉각에 따라 고화(固化)함으로써, 및 /또는, 가교경화함으로써, 분말 건조 겔(2a)끼리를 접합하는 역활을 한다.
열결착성 고분자 분말의 평균 입경은 0.1μm 이상 50μm 이하인 것이 바람직하다. 이 하한값보다도 작으면 분말 건조 겔의 세공 직경에 가깝게 되기 때문에, 결착성이 저하하거나, 성형성이 저하하는 경우가 있다. 또한 상한값보다도 크면, 성형에 필요한 첨가량이 증가하기 때문에, 저밀도의 음향 정합층을 얻는 것이 어렵게 되는 경우도 있다.
또한, 열결착성 고분자 분말의 첨가량은 전체의 40질량% 이하인 것이 바람직하다. 전체의 40질량%을 넘으면, 성형했을 때의 밀도가 높게 되어 버리는 경우도 있다. 또한, 충분한 기계 강도를 얻기 위해서는, 예컨대 전체의 5질량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.
상기의 첨가제(「첨가제 A」 라고도 한다)와 분말 건조 겔과의 접합을 강화하기 위해서, 도 7 (b)에 모식적으로 나타낸 음향 정합층(2B)와 같이, 섬유(무기섬유(예컨대 유리 울(glass wool)이나 유기섬유)나 휘스커(whisker) 등을 더 첨가하더라도 좋다(「첨가제 B」라고도 한다). 도 7 (b)의 음향 정합층(2B)에서, 첨가제 2b는 상기와 같은 열결착성 고분자의 분말이며, 첨가제 2c는 단섬유이다. 단섬유의 바람직한 직경의 범위는 상기 열결착성 고분자 분말의 평균 입경과 같은 정도이며, 섬유의 길이는 수μm~수 mm 정도인 것이 바람직하다.
두 종류의 첨가제의 첨가량은, 전체에 대하여, 40질량% 이하인 것이 바람직하고, 배합 비율은, 필요에 따라서 적절히 설정된다.
분말 건조 겔을 이용한 음향 정합층은, 음향 임피던스를 조정하기 쉽다고 하는 이점을 더 가지고 있다. 예컨대, 서로 다른 밀도를 갖는 복수 종류의 분말 건조 겔을 혼합함으로써, 음향 임피던스를 조정할 수 있다. 또한, 상기의 첨가제 A(필요에 따라서 첨가제 B)의 량을 조절함으로써, 음향 임피던스를 조정할 수 있다. 물론, 첨가제 A 및 B의 첨가량은, 성형성 등을 고려하여 상기의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
분말 건조 겔을 포함하는 제 1 음향 정합층(2B)은, 예컨대, 이하의 방법으로형성할 수 있다.
공정(a) : 다공체로 이루어지는 저밀도의 분말 건조 겔(밀도 약 20Okg/m3~4 OOkg/m3)과 1O 질량% 정도(전체에 대하여)의 첨가제 A와 첨가제 B를 준비한다. 여기서 준비하는 건조 겔은 반드시 분말일 필요는 없다. 블록 형상이라도 좋다. 건조 겔은 예컨대 평균 세공 직경이 20nm의 실리카 건조 겔이며, 첨가제 A는 폴리프로필렌분말이며, 첨가제 B는 섬유 직경이 10μm 정도의 유리 울이다.
공정(b) :이들을 동일 용기 내에 넣어, 혼합 분쇄하고, 미세한 분말을 제작한다. 전형적으로는 믹서를 이용하여 실행된다. 여기서, 상술한 소망하는 평균 입경의 분말 건조 겔을 얻을 수 있도록, 분쇄 조건을 조정한다. 또한, 필요에 따라서 분급(分級)하더라도 좋다. 물론, 건조 겔의 분쇄 공정과, 혼합 공정을 달리 행하여도 좋다.
공정(c) : 저밀도의 분말 건조 겔과 첨가제 A와 첨가제 B로 이루어지는 혼합 분말을 소망하는 량 측량하여, 가열하면서 가압 성형한다. 이때, 제 2 음향 정합층(3)의 표면에 직접 가압 성형함으로써, 제 1 음향 정합층(2)을 제 2 음향 정합층(3)에 직접 결합시킬 수 있다.
또한, 분말 건조 겔과 첨가제 A 및 B의 혼합 분말을 가압 성형하기 전에, 혼합 분말의 층에 진동을 가하는 등을 행하여, 혼합 분말의 층의 상면을 평탄하게 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 얻어지는 제 1 음향 정합층(2A)의 특성을 더욱 균일하게 할 수 있다.
(실시의 형태 8)
도 11에, 본 발명에 따른 실시형태의 초음파 송수파기를 이용한 초음파 유량계의 블록도를 나타낸다.
도 11에 있어서의 초음파 유량계는, 유량 측정부(51)인 관내를 피측정 유체가 속도 V로 도면에 나타내는 방향으로 흐르도록 하여 설치된다. 그 유량 측정부(51)의 관벽(52)에는, 본 발명의 초음파 송수파기로서의 압전 진동자(101) 및 (102)이 마주 대하여 배치되어 있다. 여기서는, 압전 진동자(101)를 초음파 송파기로서 이용하고, 압전 진동자(102)를 초음파 수파기로서 이용하고 있다. 또한, 초음파 송파기(101)와 초음파 수파기(102)에는, 이들의 송수신을 전환하는 전환 회로(55)를 거쳐서, 초음파 송수파기(101) 및 (102)를 구동하는 구동 회로(54)와, 초음파 펄스를 검지하는 수신 검지 회로(56), 초음파 펄스의 전파 시간을 계측하는 타이머(57), 타이머(57)의 출력으로부터의 유량을 연산하는 연산 회로(58), 구동 회로(54)와 타이머(57)에 제어 신호를 출력하는 제어 회로(59)가 접속되어 있다.
이와 같이 구성된 초음파 유량계의 동작을 이하에 설명한다. 비측정 유체를, 예컨대 LP 가스, 초음파 송수파기(101) 및 (102)의 구동 주파수를 약 500kHz로 한다. 제어 회로(59)에서는 구동 회로(54)에 송신 개시 신호를 출력하는 동시에, 타이머(7)의 시간 계측을 시작시킨다. 구동 회로(54)는 송신 개시 신호를 수신하면 초음파 송수파기(101)를 구동하여, 초음파 펄스를 송신한다. 송신된 초음파 펄스는 유량 측정 내를 전파하여, 초음파 송수파기(102)에서 수신된다. 수신된 초음파 펄스는 초음파 송수파기(102)에서 전기 신호로 변환되어, 수신 검지 회로(56)에 출력된다. 수신 검지 회로(56)에서는 수신 신호의 수신 타이밍을 결정하여, 타이머(57)를 정지시키고, 연산 회로(58)에서 전파 시간 t1을 연산한다.
계속해서, 전환 회로(55)에서 구동부(54)와 수신 검지 회로(56)에 접속하는 초음파 송수파기(101) 및 (102)을 전환하고, 다시 제어 회로(59)에서는 구동 회로(54)에 송신 개시 신호를 출력하는 동시에, 타이머(57)의 시간 계측을 시작시킨다. 전파 시간 t1의 측정과 반대로, 초음파 송수파기(102)에서 초음파 펄스를 송신하고, 초음파 송수파기(101)에서 수신하여, 연산 회로(58)에서 전파 시간 t2를 연산한다.
여기서, 초음파 송수파기(101)와 초음파 송수파기(102)의 중심을 연결하는 거리를 L, LP 가스의 무풍 상태에서의 음속을 C, 유량 측정부(51) 내에서의 유속을 V, 비측정 유체의 흐름 방향과 초음파 송수파기(101) 및 (102)의 중심을 연결하는 선과의 각도를 θ라고 하면, 전파 시간 t1, t2가 각각 구해진다. 또한, 거리 L은 이미 알고 있기 때문에 시간 t1과 t2를 측정하면 유속 V가 구해져, 그 유속 V로부터 유량을 조사할 수 있게 된다.
[실시예]
이하에, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
(실시예1)
본 발명의 초음파 송수파기의 제조를 아래와 같이 행하였다.
(a) 제 2 음향 정합층 (유리에폭시)의 제조
지그에 유리 벌룬을 충전한 후에 에폭시 용액을 함침(含浸)시켜, 120℃에서 열경화시켰다. 이 경화 성형체를 초음파 발진 파장의 4분의 1의 두께가 되도록 절삭했다.
또한, 초음파 약 500kHz에 대하여, 음속 2500m/s, 밀도 500kg/m3,두께 1.25mm 였다.
(b) 제 2 음향 정합층과 압전체 및 케이스와의 접합
케이스의 상부면의 양측에 접착제를 인쇄하고, 압전체층의 한 면 및 제 2 음향 정합층의 한 면에 접착제를 인쇄했다. 이 상태에서 압전체와 제 2 음향 정합층과 케이스를 합쳐서 가압하면서 가열하여 경화 접합했다.
(c) 제 1 음향 정합층의 적층
먼저, 규산 소다의 전기 투석을 행하여, pH 9~10의 규산수 용액(수용액 중의 실리카 성분 농도 14중량%)을 생성한다. 그 규산수 용액의 pH를 5.5로 조정한 후에, 미리 자외선 조사에 의해서 수산기를 표면에 형성하도록 세정한 제 2 음향 정합층 상에, 두께 90μm가 되도록 도포했다. 이 후 도포막이 겔화하여 고체화한 실리카 습윤 겔 층을 얻었다. 이 용기를 이산화탄소를 사용하여 12MPa, 50℃에서 초임계 건조시킴으로써 실리카 건조 겔 제 1 음향 정합층과 유리에폭시 제 2 음향 정합층을 적층한 음향 정합층을 형성한 압전 진동자 케이스를 얻었다.
또한, 실리카 건조 겔로 이루어지는 제 1 음향 정합층은, 초음파 약 500kHz에 대하여, 음속 180m/s, 밀도 200kg/m3였다.
(d) 초음파 송수파기의 형성
음향 정합층을 형성한 케이스에 뚜껑 판, 구동 단자 등을 조합해서 초음파 송수파기를 얻었다.
(실시예2)
본 발명의 초음파 송수파기의 제조를 아래와 같이 행했다.
(a) 제 2 음향 정합층(실리카 다공체)의 제조
수십μm 직경의 구 형상 아크릴 수지와 직경 1μm 이하의 소결 실리카 분말을 혼합한 후에 가압 성형했다. 이 성형체를 건조한 후에, 90O℃에서 소성하여 실리카 다공체를 형성했다. 그 후에 두께가 초음파 발진 파장의 4분의 1이 되도록 조제했다.
또한, 초음파 약 500kHz에 대하여, 음속 1500m/s, 밀도 570kg/m3, 두께 750μm 였다.
(b) 제 2 음향 정합층과 제 1 음향 정합층의 적층
테트라메톡시실란과 에탄올과 암모니아 수용액(0.1 규정)을 몰비로 l대 3대 4가 되도록 조제한 겔 원료액을, 미리 플라즈마 클리닝에 의해서 수산기를 표면에 형성하도록 세정한 제 2 음향 정합층 상에, 두께 90μm가 되도록 도포했다. 이 후에 도포막이 겔화하여 고체화한 실리카 습윤 겔층을 얻었다.
이 실리카 습윤 겔층을 형성한 제 2 음향 정합층을 트리메틸에톡시실란의 5중량% 핵산 용액 내에서 소수화 처리를 한 후에, 이산화탄소에 의한 초임계 건조(12 MPa, 50℃)하여, 실리카 건조 겔과 제 2 음향 정합층이 적층된 음향 정합층을 얻었다.
또한, 제 2 음향 정합층 상의 수산기와 테트라메톡시실란의 알콕시기가 반응하여 화학 결합을 하고 있기 때문에, 밀착성이 좋은 음향 정합층을 제공할 수 있다.
또한, 실리카 건조 겔로 이루어지는 제 1 음향 정합층은, 초음파 약 500kHz에 대하여, 음속 180m/s, 밀도 200kg/m3였다.
(c) 음향 정합층과 케이스, 압전체층과의 접합
케이스의 상부면의 양측에 에폭시계 접착 시트를 가결착한 후에, 압전체의 한 면 및 제 2 음향 정합층면과 케이스를 합쳐서 가압하면서 가열하여 경화 접합했다.
(d) 초음파 송수파기의 형성
케이스에 뚜껑 판, 구동 단자 등을 조합하여 초음파 송수파기를 얻었다.
(실시예3)
본 발명의 초음파 송수파기의 제조를 아래와 같이 행하였다.
(a) 제 2 음향 정합층(실리카 다공체)의 제조
입경이 수 μm에서 수십 μm의 소결 실리카 분말을 성형하여, 얻어진 성형체를 900℃에서 소성하여, 두께가 초음파 발진 파장의 약 4분의 1인 실리카 다공체를 형성했다. 또한, 이 실리카 다공체로 이루어지는 제 2 음향 정합층은, 초음파(약 500kHz)에 대하여, 음속이 약 4000m/s, 밀도가 약 1200kg/m3, 두께가 약 2mm 였다.
이 제 2 음향 정합층(실리카 다공체)의 한 면에 구조 지지층으로서, 두께 3μm의 유리층(밀도 약 3000kg/m3)을 형성했다. 이 유리층의 음속은 대략 5000m/s 이상이기 때문에, 초음파 약 500kHz에 대하여 전파하는 음파의 파장은 1cm보다 커진다. 형성한 유리층의 두께는 파장의 8분의 1보다도 충분히 작기 때문에, 음향 정합에 대해서는 영향이 없다.
(b) 제 2 음향 정합층과 제 1 음향 정합층의 적층
(a)에서 형성한 실리카 다공체의 유리층 면에, 실시예2와 같이 형성한 실리카 습윤 겔을 40℃ 내지 70℃로 가열하면서 소수화한 후에, 질소 기류하에서 80℃로 가열 건조하여, 실리카 건조 겔로 이루어지는 제 1 음향 정합층을 제 2 음향 정합층에 적층한 음향 정합층을 얻었다.
또한, 실리카 건조 겔로 이루어지는 제 1 음향 정합층은, 초음파 약 500kHz에 대하여, 음속 180m/s, 밀도 200kg/m3였다.
(c) 음향 정합층과 케이스, 압전체와의 접합
케이스의 상부면의 양측에 에폭시계 접착 시트를 가결착한 후에, 압전체의 한 면 및 제 2 음향 정합층 면과 케이스를 합쳐서 가압하면서 가열하여 경화 접합했다.
(d) 초음파 송수파기의 형성
케이스에 뚜껑 판, 구동 단자 등을 조합하여 초음파 송수파기를 얻었다.
(비교예1)
실시예1에서 제작한 제 2 음향 정합층(유리에폭시)만의 초음파 송수파기를 형성했다.
(비교예2)
실시예1에 기재한 방법으로 압전 진동자의 케이스 상에 실리카 건조 겔만을 음향 정합층으로서 제작한 초음파 송수파기를 얻었다.
이하에, 상술의 실시예1 내지 3, 및 비교예1과 2의 초음파 500kHz에서의 송수파 특성을 비교했다. 각각의 실시예, 비교예로 제작한 초음파 송수파기를 한 쌍 대향시켜 초음파 유량계를 형성했다. 그 때에, 한쪽의 초음파 송수파기로부터 발신한 음파를 다른 초음파 송수파기에서 수신했을 때의 출력 파형으로써 평가를 했다.
또한, 도 8 (a) 내지 (c)는, 그 일례( 비교예1, 비교예2, 실시예2)를 나타낸 것이다.
감도: (실시예2)≒(실시예3)>(실시예1)>( 비교예2) 》( 비교예1)
상승 응답성: (실시예1)≒(실시예2)≒(실시예3)≥( 비교예1)≥(비교예2)
상기 한 바와 같이, 감도에 관해서는, 종래부터 일반적으로 이용되고 있는비교예1의 음향 정합층에 대하여, 실시예1에서는 약 10배, 실시예2 및 실시예3에서는 약 20 배가 우수한 특성을 나타내었다. 또한, 상승 응답성에 관해서는, 종래부터 일반적으로 이용되고 있는 비교예l의 음향 정합층에 대하여, 실시예1, 2 및 3에서는 동등하거나, 그것보다 약간 우수한 특성이었다. 즉, 도 8 (a)의 비교예1에서는 초음파의 파두가 5파째에서 피크로 되는데 대하여, 도 8 (c)의 실시예2에서는 초음파의 파두가 4파째에서 피크로 되어 있었다. 따라서 실시예에서 제작한 본 발명의 초음파 송수파기에서는, 감도 및 상승 응답성이 모두 종래보다도 우수한 특성를 얻을 수 있다는 것을 알았다.
(실시예4)
본 발명의 초음파 송수파기의 제조를 이하와 같이 행하였다.
(a) 제 2 음향 정합층(실리카 다공체)의 제조
실시예3과 같이 수 μm 직경으로부터 수십 μm 직경의 소결 실리카 분말을 성형하여, 얻어진 성형체를 900℃에서 소성하여, 두께가 초음파 발진 파장의 약 4분의 1의 실리카 다공체를 형성했다. 또한, 이 실리카 다공체로 이루어지는 제 2 음향 정합층은, 초음파 약 500kHz에 대하여, 음속이 약 4000m/s, 밀도가 약 1200kg/m3,두께가 약 2mm 였다.
(b) 제 2 음향 정합층과 제 I 음향 정합층의 적층
(a)에서 형성한 실리카 다공체에, 테트라에톡시실란의 실리콘올리고마를 원료로서, 이소프로필알콜 용매중, 암모니아 촉매로 실리카 습윤 겔을 형성했다. 70℃에서 습윤 겔을 숙성한 후에, 디메틸디메톡시실란에 의한 소수화 처리를 행했다. 그 후에, 자연 방치로 용매를 건조 제거하여, 실리카 건조 겔로 이루어지는 제 1 음향 정합층을 제 2 음향 정합층에 적층한 음향 정합층을 얻었다.
또한, 실리카 건조 겔로 이루어지는 제 1 음향 정합층은, 초음파(약 500kHz)에 대하여, 음속이 약 300m/s, 밀도가 약 420k g/m3였다. 이 제 1 음향 정합층의 부분을 두께 15Oμm로 가공하여, 최종적인 음향 정합층으로 했다.
(c) 음향 정합층과 케이스, 압전체층과의 접합
오목 구조의 케이스의 상판의 양측에 에폭시계 접착제를 도포한 후에, 압전체층의 한 면 및 음향 정합층의 제 2 음향 정합층 측의 면을 접착제층을 거쳐서 케이스의 상판에 접합시켜, 가압하면서 접착제를 가열하여 경화함으로써, 음향 정합층 및 압전체층을 케이스의 상판에 접합했다.
(d) 초음파 송수파기의 형성
케이스의 뚜껑 판(저판), 구동 단자 등을 조합하여 초음파 송수파기를 얻었다.
이와 같이 제작한 초음파 송수파기에 대해서도, l 쌍으로 송수신 특성을 평가한 바, 감도, 상승 응답성에 대해서도, 비교예1, 비교예2 보다도 우수한 특성을 얻을 수 있었다.
본 발명에 의하면, 밀도가 작고 음속이 느린 제 1 음향 정합층과, 그것보다도 밀도가 높고 음속이 빠른 제 2 음향 정합층을 적층하여 구성된 음향 정합층이 제공된다. 그것을 초음파 송수파기에 적용하여, 초음파의 방사 매체와 음향 임피던스 정합한 제 l 음향 정합층을 방사 매체 측에 배치하는 것으로, 음향 임피던스가 충분히 작은 초음파의 방사 매체인 기체에 정합하여 고감도인 초음파 송수파할 수 있으며 또한, 신호의 상승 응답성이 좋은 우수한 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 제조 방법을 이용하여 얻어지는 초음파 송수파기는, 저음향 임피던스의 음향 정합층에 의해 고감도화 및 특성의 안정화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 초음파 유량계는, 본 발명의 초음파 송수파기가 고감도 및 특성 편차가 적기 때문에 유량계측의 안정성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 음향 정합층을 무기산화물로 구성하는 것으로 유량계측의 온도 특성이 우수한 특성을 얻을 수 있으며 또한, 음향 정합층을 소수화함으로써 내습성이 우수한 신뢰성 높은 초음파 유량계를 제공할 수 있다.

Claims (22)

  1. 압전체층과 기체의 음향 임피던스를 정합시키는 음향 정합층으로서,
    밀도가 5Okg/m3이상 5OOkg/m3이하의 범위 내에 있는 제 1 음향 정합층과,
    밀도가 400kg/m3이상 1500kg/m3이하의 범위 내에 있는 제 2 음향 정합층
    을 가지며, 또한, 상기 제 1 음향 정합층의 밀도는 상기 제 2 음향 정합층의 밀도보다 작은, 음향 정합층.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 음향 정합층의 밀도는 50kg/m3이상 400kg/m3이하의 범위 내에 있고, 상기 제 2 음향 정합층의 밀도는 400kg/m3보다 크고 8OOkg/m3이하의 범위내에 있는, 음향 정합층.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 음향 정합층의 음향 임피던스 Za와 상기 제 2 음향 정합층의 음향 임피던스 Zb의 관계가, Za<Zb인 음향 정합층.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음향 정합층의 두께는 상기 제 1 음향 정합층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 약 4분의 1인 음향 정합층.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음향 정합층의 음향 임피던스는 5×1O4kg/sㆍm2이상 2O×1O4kg/sㆍm2이하의 범위 내에 있는 음향 정합층.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 음향 정합층의 두께는, 상기 제 2 음향 정합층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 약 4분의 1인 음향 정합층.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음향 정합층과 상기 제 2 음향 정합층은 모두 무기산화물을 포함하는 음향 정합층.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음향 정합층은 건조 겔을 포함하는 음향 정합층.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 음향 정합층은 건조 겔의 분말을 포함하는 음향 정합층.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 건조 겔의 고체 골격부는 무기산화물을 포함하는 음향 정합층.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 무기산화물은 산화규소인 음향 정합층.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 무기산화물의 고체 골격부는 소수(疏水)화되어 있는 음향 정합층.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음향 정합층과 상기 제 2 음향 정합층은 직접 결합되어 있는 음향 정합층.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음향 정합층과 상기 제 2 음향 정합층의 사이에 구조 지지층을 더 가지며,
    상기 구조 지지층은 밀도 1OOOkg/m3이상이며, 상기 구조 지지층의 두께는 상기 구조 지지층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 8분의 1 미만인 음향 정합층.
  15. 압전체층과, 상기 압전체층 상에 마련된 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 기재된 음향 정합층을 구비하고, 상기 제 2 음향 정합층은 상기 압전체층 측에 배치되어 있는, 초음파 송수파기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 음향 정합층은 상기 압전체층 상에 직접 결합되어 있는 초음파 송수파기.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 압전체층을 내포하는 오목부를 형성하는 상판과,
    상기 오목부 내의 공간을 밀폐하도록 배치되는 저판을 갖는 케이스를 더 가지며,
    상기 압전체층은 상기 케이스의 상기 상판의 내면에 접착되어 있고,
    상기 음향 정합층은, 상기 상판을 거쳐서 상기 압전체층에 대향하도록 상기 상판의 상면에 결합되어 있는 초음파 송수파기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 케이스는 금속 재료로 형성되어 있는 초음파 송수파기.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 케이스의 상기 상판은 상기 제 2 음향 정합층과 일체로 형성되어 있는 초음파 송수파기.
  20. 청구항 15 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 기재된 초음파 송수파기의 제조 방법으로서,
    상기 압전체층 상에 또는 상기 압전체층을 상기 내면에 접합한 상기 상판 상에 상기 제 2 음향 정합층을 형성하는 공정과,
    그 후에, 상기 제 2 음향 정합층 상에 건조 겔로 이루어지는 상기 제 1 음향 정합층을 형성하는 공정
    을 포함하는 초음파 송수파기의 제조 방법.
  21. 청구항 15 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 기재된 초음파 송수파기의 제조 방법으로서,
    상기 제 2 음향 정합층 상에, 건조 겔로 이루어지는 상기 제 1 음향 정합층을 형성하여, 상기 음향 정합층을 얻는 공정과,
    상기 압전체층 상에 또는 상기 압전체층을 상기 내면에 접합한 상기 상판 상에 상기 음향 정합층을 접합하는 공정
    을 포함하는 초음파 송수파기의 제조 방법.
  22. 피측정 유체가 흐르는 유량 측정부와, 상기 유량 측정부에 마련되어 초음파신호를 송수신하는 한 쌍의 초음파 송수파기와, 상기 초음파 송수파기 간의 초음파 전파 시간을 계측하는 계측 회로와, 상기 계측 회로부터의 신호에 근거하여 유량을 산출하는 유량 연산 회로를 구비하는 초음파 유량계로서,
    상기 한 쌍의 초음파 송수파기의 각각은, 청구항 15 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 기재된 초음파 송수파기로 구성되어 있는, 초음파 유량계.
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