KR20040086504A - 음향 정합층, 초음파 송수파기 및 이들의 제조 방법, 및초음파 유량계 - Google Patents

음향 정합층, 초음파 송수파기 및 이들의 제조 방법, 및초음파 유량계 Download PDF

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KR20040086504A KR10-2003-7014113A KR20037014113A KR20040086504A KR 20040086504 A KR20040086504 A KR 20040086504A KR 20037014113 A KR20037014113 A KR 20037014113A KR 20040086504 A KR20040086504 A KR 20040086504A
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Abstract

본 발명에 따른 음향 정합층은 건조 겔의 분말을 포함한다. 건조 겔의 밀도는 500㎏/㎥ 이하이고, 평균 세공 직경이 100㎚ 이하인 것이 바람직하다. 건조 겔의 분말을 이용하는 것에 의해 음향 정합층의 특성의 편차가 감소된다.

Description

음향 정합층, 초음파 송수파기 및 이들의 제조 방법, 및 초음파 유량계{ACOUSTIC MATCHING LAYER, ULTRASONIC TRANSMITTER/RECEIVER, THEIR MANUFACTURING METHODS, AND ULTRASONIC FLOWMETER}
도 10은 종래의 초음파 발생기(「압전 진동자」라고 하는 경우도 있음)(10)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 초음파 발생기(10)는 케이스(1), 압전체층(진동 수단)(2)과, 음향 임피던스 정합층(정합 수단, 이하, 「음향 정합층」이라 함)이다. 케이스(1)와 압전체층(2)은 접착제(예컨대, 에폭시계)으로 이루어지는 접착층을 이용해 접착되어 있다. 케이스(1)와 음향 정합층(100)은 마찬가지로 접착제를 이용해 접속되어 있다. 압전체층은 대략 500㎑에서 진동하고, 그 진동은 접착층(도시하지 않음)을 거쳐 케이스(1)에 전해지고, 또한 접착층을 거쳐 음향 정합층(100)에 전해진다. 음향 정합층(100)의 진동은 공간에 존재하는 기체에음파로서 전파된다. 또, 간단하게 하기 위해 설명을 생략하지만, 압전체층(2)을 두께 방향으로 분극시키기 위한 한 쌍의 전극(도시하지 않음)이 압전체층(2)의 양면에 마련되어 있고, 초음파 발생기(10)는 압전체층(2)에 의해, 전기 에너지와 기계에너지를 상호 변환할 수 있다. 케이스(1)는 압전체층(2)을 포함하는 오목부를 형성하는 상판(1a)과, 오목부 내의 공간을 밀폐하도록 배치되는 저판(1b)을 갖고, 압전체층(2)은 오목부 내에 밀폐되어 있다. 압전체층(2) 한 쌍의 주면에 형성되어 있는 전극 중 한 쪽은 케이스(1)를 거쳐 단자(5a)에 접속되고, 다른 쪽은 단자(5b)에 접속되어 있다. 따라서, 케이스(1)는 일반적으로 도전성을 갖는 금속으로 형성된다.
음향 정합층(100)의 역할은 압전체층(2)의 진동을 효율적으로 기체에 전파시키는 것에 있다. 물질의 음속 C와 밀도 ρ에 의해 수학식 1과 같이 정의되는 음향 임피던스 Z가 압전체층(2)과 기체에서 크게 다르다.
압전체층(2)을 구성하는 압전체의 음향 임피던스 Z1은 30×106(㎏/s·㎡)에서 기체, 예컨대, 공기의 음향 임피던스 Z3은 4.28×102(㎏/s·㎡)이다. 압전체와 금속의 음향 임피던스는 거의 같다. 이와 같이, 음성 임피던스가 다른 경계면 상에서는 소리(진동)의 전파에 반사가 발생하게 되고, 그 결과, 투과하는 소리의 강도가 약해진다. 그렇지만, 두 개의 다른 음향 임피던스의 물질 사이에 별도의 음향 임피던스를 갖는 물질을 삽입함으로써, 소리의 반사를 경감할 수 있다.
압전체층(2)과 공간(음파가 방출되는 쪽의 기체 매체) 사이에 하기 수학식 2의 관계를 만족하는 음향 임피던스 Z2를 갖는 물질을 삽입함으로써 음의 반사를 없애는 것이 일반적으로 알려져 있다.
상술한 Z1=30×106(㎏/s·㎡) 및 Z3=4.28×102(㎏/s·㎡)를 이용하면, 이 Z2의 값은 0.11×106(㎏/s·㎡)으로 된다. 이 음향 임피던스를 만족하는 물질은 고체로 밀도가 작고 음속이 느린 것이 요구된다.
PZT 등의 압전체를 이용한 기체용 초음파 발생기에 있어서도, 일반적으로, PZT에서 발생한 초음파를 전파 매체인 기체(공기)에 효율적으로 방사하기 위해, 그 진동면에 공기와의 음향 임피던스를 정합하기 위한 정합층이 마련된다. PZT에서 발생한 초음파를 공기 중에 방사하는 초음파 변환기에서는, 공기(기체)의 음향 임피던스 Z1(약 400㎏/s·㎡)이 PZT(고체)의 음향 임피던스 Z3(약 30×105㎏/s·㎡)에 대해 약 10만분의 1로 현격하게 작기 때문에, 초음파를 효율적으로 방사하기 위해서는, 음향 정합층의 음향 임피던스가 지극히 중요하게 된다.
종래, PZT(티탄산 지르콘산연) 등의 압전 세라믹으로 구성된 압전체층(「초음파 진동자」라고 하는 경우도 있음)의 진동면에 마련되는 음향 정합층으로서, 도 11에 도시하는 바와 같이, 유리 벌룬(중공(中空)의 미소한 유리구)(110)이 혼입된에폭시 수지(112)로 이루어지는 음향 정합층(100)이 알려져 있다. 음향 정합층(100)은 미소한 유리 벌룬(110)을 에폭시 수지(112)로 굳힌 것을 이용해서 밀도를 작게 하고 있다. 유리 벌룬(110)은 음향 정합층이 전해지는 소리의 파장보다도 충분히 작게 해야 하므로, 직경이 100㎛ 이하인 것을 이용하고 있다.
음향 정합층(100)을 투과하여 기체에 전달하는 소리의 강도는 음향 정합층(100)의 두께(음향 정합층 내를 음파가 전파하는 거리)에도 관계한다. 압전체층(2)으로부터의 음파는 투과되는 파(波)와, 음향 정합층(100)과 기체와의 경계면에서 반사되는 파로 분리된다. 반사된 파는 음향 정합층(100)과 압전체층(2)의 경계면에서 반사되고, 이 경우, 위상이 반전된 파로 된다. 이 파의 일부가 음향 정합층(100)과 기체의 경계면에서 투과하는 파로 된다. 이들 파가 합성되는 것에 따라, 투과율 T가 최대로 되는 두께 t를 구하면, t=λ/4로 된다.
유리 벌룬(110)을 포함하는 음향 정합층(100)을 이용한 경우, 그 음속은 2000m/s이므로, 소리의 주파수가 500㎑인 경우에는, 음향 정합층(100) 내를 전파하는 소리의 파장 λ는 4㎜로 된다. 따라서, 음향 정합층(100)의 두께 t는 1㎜가 최적값으로 된다.
초음파 진동자의 진동면에 음향 정합층을 마련한 경우의 초음파 진동자로부터 외부 전파 매체로의 초음파 에너지 투과율 T를 구하는 이론식은 음향 정합층의 두께 t를 λ/4의 정수배로 설정하면 하기 수학식 3과 같이 간략하게 표시된다.
종래의 유리 벌룬 주입 에폭시 수지를 이용한 음향 정합층(100)에 있어서, 공기에 대한 초음파 에너지 투과율 T와 음향 정합층(100)의 음향 임피던스 Z2의 관계를 검토하면, 유리 벌룬 주입 에폭시 수지의 음향 임피던스는 약 1.2×106㎏/s·㎡이고, Z22≒1.44×1012으로 되는데 대하여, 상술한 예에서는 Z1·Z3은 Z1·Z3=400×1.2×106=4.8×108이고, Z1·Z3《Z22으로 되므로 상기 수학식 3은, 또한 T≒4·Z1·Z3/Z22로 근사되고, 초음파 에너지 투과율 T는 음향 정합층(100)의 음향 임피던스 Z2의 2승에 반비례하는 것을 알 수 있다. 즉, 음향 정합층(100)의 음성 임피던스 Z2는 작을수록, 초음파 에너지 투과율 T는 향상된다.
또한, 도 9는 상술한 초음파 발생기(10)를 구비하는 초음파 유량계의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다. 여기서는, 한 쌍의 초음파 발생기(10)를 한 쌍의 초음파 송수파기(101, 102)로서 이용하고 있다.
한 쌍의 초음파 발생기(101, 102)는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 기체의 유로(51)를 규정하는 관(관벽)(52)의 내부에 배치된다. 초음파 송수파기(101) 또는 초음파 송수파기(102)가 깨지면 기체가 관(52)의 외부로 누설되므로, 초음파 송수파기(101, 102)의 케이스(도 9의 케이스(1))의 재료에는 세라믹이나 수지 등의 깨지기 쉬운 재질을 선택하는 것이 곤란하다. 따라서, 케이스의 재료에는 스테인리스, 철 등의 금속 재료가 이용된다.
지금, 도 9에 도시하는 바와 같이, 유로(51)에 유체가 속도 V에서, 유로를따라 굵은선 화살표로 나타내는 방향으로 흐르고 있는 것으로 한다. 관벽(52)의 내측에는, 한 쌍의 초음파 송수파기(101, 102)가 서로 마주보며 마련되어 있다. 초음파 송수파기(101, 102)는 전기 에너지/기계 에너지 변환 소자로서, 압전 세라믹 등의 압전 진동자를 이용해 구성되어 있고, 압전 부저, 압전 발진자와 마찬가지로 공진 특성을 나타낸다. 여기서는, 예컨대, 초음파 송수파기(101)를 초음파 송파기로서 이용하고, 초음파 송수파기(102)를 초음파 수파기로서 이용한다. 또한, 초음파 송파기(101)와 초음파 수파기(102)에는, 이들 송수신을 전환하는 전환 회로(55)를 거쳐, 초음파 송수파기(101, 102)를 구동하는 구동 회로(54)와, 초음파 펄스를 검지하는 수신 검지 회로(56), 초음파 펄스의 전파 시간을 계측하는 타이머(57), 타이머(57)의 출력으로부터 유량을 연산에 의해 구하는 연산부(58), 구동 회로(54)와 타이머(57)로 제어 신호를 출력하는 제어부(59)가 접속되어 있다.
초음파 유량계의 동작을 이하에 설명한다.
우선, 공진 주파수 근방의 주파수의 교류 전압을 초음파 송파기(101)의 압전체층에 전압을 인가하면, 초음파 송파기(101)는 외부의 유체 중에 동 도면 중 L로 나타내는 전파 경로에 초음파를 방사하고, 초음파 수파기(102)가 전파해 온 초음파를 받아 전압으로 변환한다.
계속해서, 반대로 초음파 송수파기(102)를 초음파 송파기로서 이용하고, 초음파 송수파기(101)를 초음파 수파기로서 이용한다. 공진 주파수 근방의 주파수의 교류 전압을 초음파 송파기(102)의 압전체층에 인가함으로써, 초음파 송파기(102)는 외부의 유체 중에 동 도면 중 L로 나타내는 전파 경로에 초음파를 방사하고, 초음파 수파기(101)는 전파된 초음파를 받아 전압으로 변환한다. 이와 같이, 초음파 송수파기(101, 102)는 수파기로서의 역할과 송파기로서의 역할을 다하기 때문에, 일반적으로 초음파 송수파기라고 불린다. 전파 경로 L 내의 초음파의 전파 방향은 전파 경로 L 내에 나타낸 화살표(쌍 방향)이다.
도 9에 있어서, 관(52) 내를 흐르는 유체의 유속을 V, 유체 중의 초음파 속도를 C, 유체가 흐르는 방향(굵은선 화살표)과 초음파 펄스의 전파 방향(L 내의 화살표)의 각도를 θ라 한다. 초음파 송수파기(101)를 송파기, 초음파 송수파기(102)를 수파기로서 이용했을 때에, 초음파 송수파기(101)로부터 나온 초음파 펄스가 초음파 송수파기(102)에 도달하는 시간인 싱·어라운드 주기를 t1, 싱·어라운드 주파수를 f1이라고 하면, 다음 수학식 4가 성립한다.
반대로, 초음파 송수파기(102)를 송파기로서, 초음파 송수파기(101)를 수파기로서 이용했을 때의 싱·어라운드 주기를 t2, 싱·어라운드 주파수를 f2라 하면, 다음 수학식 5의 관계가 성립한다.
따라서, 양 싱·어라운드 주파수의 주파수차 Δf는, 다음 수학식 6으로 되고, 초음파의 전파 경로의 거리 L과 주파수차 Δf로부터 유체의 유속 V를 구할 수 있다.
즉, 초음파의 전파 경로의 거리 L과 주파수차 Δf로부터 유체의 유속 V를 구할 수 있고, 그 유속 V로부터 유량을 조사할 수 있다.
종래의 초음파 발생기에 있어서는, 음향 정합층의 음향 임피던스를 낮게 억제하기 위해서, 밀도가 작은 재료, 예컨대, 유리 벌룬이나 플라스틱 벌룬을 수지 재료 등으로 굳힌 재료를 이용해 음향 정합층을 형성하고 있었다. 또한, 유리 벌룬을 열압축하는 방법, 또는, 용융 재료를 발포시키는 등의 방법에 의해 음향 정합층을 형성하고 있었다. 이들 방법은, 예컨대, 일본 특허 공보 제2559144호 등에 개시되어 있다.
종래의 음향 정합층은, 에폭시 수지에 초음파의 파장과 비교해서 입경이 작은 유리 벌룬을 혼입함으로써(즉, 에폭시 수지 내에 초음파를 난 반사시키지 않는 것과 같은 음향 임피던스가 작은 공기의 극간을 산재(散在)시킴으로써) 음향 정합층의 음향 임피던스 Z2를 저하시키는 것이기 때문에, 에폭시 수지에 대한 유리 벌룬의 혼합 비율을 높여 음향 임피던스의 저하를 한층 도모하는 것으로도 생각되지만, 유리 벌룬의 혼합 비율을 높게 하면, 유리 벌룬 주입의 에폭시 수지제의 점도가 높아지게 되어, 유리 벌룬과 에폭시 수지제를 균일하게 혼합하는 것이 곤란해지므로, 에폭시 수지제에 대한 유리 벌룬의 혼합 비율을 높이기 위해서는 일정한 한계가 있다. 따라서, 유리 벌룬 주입 에폭시 수지에 의해 한층, 음향 임피던스가 낮은 음향 정합층을 제조하는 것은 곤란하다.
또한, 상기 종래의 유리 벌룬 주입 에폭시 수지로 이루어지는 음향 정합층의 음향 임피던스는 약 1.2×106㎏/s·㎡이며, 에폭시 수지만으로 이루어지는 음향 정합층의 음향 임피던스에 대하여 약 2/3이며, 에폭시 수지만으로 이루어지는 음향 정합층을 이용한 것에 비하면, 초음파 에너지 투과율 T는 9/4배로 개선된다.
그러나, 그래도 상기 수학식 3 에 의해 유리 벌룬 주입 에폭시 수지로 이루어지는 음향 정합층을 이용한 경우의 초음파 에너지 투과율 T를 산출하면, T≒3% 이기 때문에, 충분하지 않은 것을 알 수 있다.
또한, 초음파 유량계에 사용하고 있는 종래의 초음파 송수파기에 사용하고 있는 음향 정합층은, 상술한 바와 같이, 유리 벌룬을 열압축하거나, 용융 재료를 발포하는 등의 방법이 채용되고 있었다. 이 때문에, 압력에 의한 유리구의 파손, 압력 부족에 의한 분리, 박리 용융 재료의 발포 등의 원인에 의해 매질이 불균일하게 되기 쉽고, 음향 정합층 내에서 특성에 편차가 발생하여, 이것이 기기 정밀도의 편차를 발생시킨다고 하는 문제가 있었다.
또한, 상기 종래의 유리 벌룬 주입 에폭시 수지로 이루어지는 음향 정합층의 제조 공정에서는, 유리 벌룬 주입 에폭시 수지의 경화물을 소망하는 크기 및/또는 두께로 하기 위해서, 절단 및/또는 표면 연마 등의 기계 가공을 실시하고 있었기 때문에, 음향 정합층의 두께가 바람직한 값으로부터 어긋나거나, 또는 두께가 불균일하게 되거나, 또는 표면에 요철이 형성된다고 하는 문제가 있어, 초음파 송수파기로서의 충분한 성능을 얻을 수 없었다.
한편, 본 출원인은 일본 특허 출원 제2001-56501호(출원일 : 2001년 2월 28일)에, 건조 겔을 이용해 음향 정합층을 형성함으로써, 종래의 유리 벌룬 주입 에폭시 수지를 이용하는 경우보다도, 예컨대, 음향 정합층 내의 특성 편차를 감소시킬 수 있는 것을 기재하고 있다.
그러나, 예컨대, 초음파 유량계 등의 고성능화 때문에, 건조 겔을 이용한 음향 정합층의 특성 편차를 더욱 감소시키는 것이 요망되고 있다.
본 발명자가 검토한 결과에 따르면, 음향 정합층의 두께의 편차는 종래보다도 작지만, 건조 겔을 이용한 경우에도 발생한다. 또한, 습윤 겔을 건조시킴으로써 건조 겔을 형성하면, 건조 과정의 불균일에 기인하는 특성의 편차가 있는 것을 알 수 있었다.
본 발명은 음향 임피던스를 정합(matching)하기 위해 이용되는 음향 정합층, 초음파를 송수신하는 초음파 송수파기 및 이들의 제조 방법, 및 이들을 이용한 초음파 유량계에 관한 것이다.
도 1(a) 및 도 1(b)는 본 발명의 실시예에 따른 음향 제조층의 구조를 모식적으로 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예 1의 초음파 송수파기에 있어서의 제조 방법을 설명하는 공정도,
도 3은 본 발명의 실시예 2의 초음파 송수파기에 있어서의 제조 방법을 설명하는 공정도,
도 4는 본 발명의 실시예 3의 초음파 송수파기에 있어서의 제조 방법을 설명하는 공정도,
도 5는 본 발명의 실시예 4의 초음파 송수파기에 있어서의 제조 방법을 설명하는 공정도,
도 6은 본 발명의 실시예 5의 초음파 송수파기에 있어서의 제조 방법을 설명하는 공정도,
도 7은 본 발명의 실시예 6의 초음파 송수파기에 있어서의 제조 방법을 설명하는 공정도,
도 8은 본 발명의 초음파 송수파기의 단면도,
도 9는 종래의 초음파 송수파기를 이용한 초음파 유량계의 구성을 모식적으로 나타내는 블럭도,
도 10은 종래의 초음파 수파기의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도,
도 11(a) 및 도 11(b)는 종래의 초음파 수파기의 음향 정합층의 구성을 모식적으로 나타내는 도면으로, (a)는 단면도, (b)는 위에서 본 도면이다.
본 발명은 상기 과제에 감안해서 행해진 것으로서, 그 주된 목적은 종래부터도 특성의 편차가 감소된 음향 정합층을 제공하는 것 및 그와 같은 음향 정합층을 구비하는 초음파 송수파기 및 초음파 유량계를 제공하는 것에 있다. 또한, 그와 같은 음향 정합층 및 초음파 송수파기의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 1 국면에 따른 음향 정합층은 건조 겔의 분말을 포함한다. 임의 실시예에서, 상기 건조 겔의 밀도가 500㎏/㎥ 이하이며, 평균 세공(細孔) 직경이 100㎚ 이하이다.
임의 실시예에서, 상기 건조 겔의 분말의 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하의 범위 내에 있다.
임의 실시예에서, 상기 건조 겔의 고체 골격부가, 무기 산화물을 포함한다. 상기 고체 골격부는 소수화(疎水化)되어 있는 것이 바람직하다.
임의 실시예에서, 상기 무기 산화물은 산화규소 또는 산화알루미늄이다.
임의 실시예에서, 열결착성 고분자 분말을 전체의 40질량% 이하 포함한다.
임의 실시예에서, 상기 열결착성 고분자 분말은 평균 입경이 0.1㎛ 이상 50㎛ 이하의 범위 내에 있다.
임의 실시예에서, 음향 임피던스가 5×104㎏/s·㎡ 이상 20×104㎏/s·㎡ 이하의 범위 내에 있다.
임의 실시예에서, 25℃ 이상 70℃ 이하의 범위 내에서의 음향 임피던스의 온도 변화율이 -0.04%/℃ 이하(절대값이 0.04%/℃ 이하)이다.
임의 실시예에서, 상기 음향 정합층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 약 4분의 1 두께를 갖는다.
본 발명의 제 1 국면에 따른 초음파 송수파기는 압전체층과, 상기 압전체층 상에 마련된 상기한 어느 하나의 음향 정합층을 구비한다.
임의 실시예에서, 상기 음향 정합층이 상기 압전체층 상에 직접 결합되어 있다.
임의 실시예에서, 상기 압전체층을 내포하는 오목부를 형성하는 상판과, 상기 오목부 내의 공간을 밀폐하도록 배치되는 저판을 갖는 케이스를 더 갖고, 상기압전체층은 상기 케이스의 상기 상판의 내면에 접착되어 있고, 상기 음향 정합층은 상기 상판을 거쳐 상기 압전체층에 대향하도록 상기 상판의 상면에 직접 결합되어 있다.
본 발명의 제 1 국면에 따른 초음파 유량계는 피측정 유체가 흐르는 유량 측정부와, 상기 유량 측정부에 마련되어 초음파 신호를 송수신하는 한 쌍의 초음파 송수파기와, 상기 초음파 송수파기간의 초음파 전파 시간을 계측하는 계측 회로와, 상기 계측 회로로부터의 신호에 근거해서 유량을 산출하는 유량 연산 회로를 구비하는 초음파 유량계로서, 상기 한 쌍의 초음파 송수파기의 각각은 상기 어느 하나에 기재된 초음파 송수파기로 구성되어 있다.
본 발명의 제 1 국면에 따른 음향 정합층의 제조 방법은, 건조 겔의 분말과 열결착성 고분자 분말과의 혼합 분말을 준비하는 공정과, 상기 혼합 분말을 가압 성형하는 공정을 포함한다.
임의 실시예에서, 상기 혼합 분말을 준비하는 공정은 상기 건조 겔을 준비하는 공정과, 상기 열결착성 고분자 분말을 준비하는 공정과, 상기 건조 겔과 상기 열결착성 고분자 분말을 혼합하면서 분쇄하는 공정을 포함한다.
임의 실시예에서, 상기 혼합 분말을 가압 성형하는 공정은 상기 혼합 분말을 가열하는 공정을 포함한다.
임의 실시예에서, 상기 혼합 분말을 가압 성형하는 공정은 가압 성형에 의해 얻어지는 상기 혼합 분말의 성형체의 두께를 소정 두께로 제어하는 공정을 포함한다.
임의 실시예에서, 상기 혼합 분말을 가압 성형하는 공정은 하측 성형면 상에 소정량의 상기 혼합 분말을 공급하는 공정과, 상기 하측 성형면 상에 공급된 상기 혼합 분말이 형성하는 층의 상면을 평탄화하는 공정을 포함한다.
본 발명의 제 1 국면에 따른 초음파 송수파기의 제조 방법은 압전체층과, 상기 압전체층 상에 마련된 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기의 제조 방법으로서, 상기 음향 정합층을 상기한 어느 하나의 제조 방법에 의해 형성하는 공정을 포함한다.
임의 실시예에서, 상기 음향 정합층은 상기 압전체층 상에 직접 접합된다.
임의 실시예에서, 상기 초음파 송수파는 상기 압전체층을 포함하는 오목부를 형성하는 상판과, 상기 오목부 내의 공간을 밀폐하도록 배치되는 저판을 갖는 케이스를 더 갖고, 상기 음향 정합층은 상기 케이스의 상기 상판의 상면에 직접 접합된다.
본 발명의 제 2 국면에 따른 초음파 송수파기의 제조 방법은 압전체층과, 상기 압전체층 상에 마련된 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기의 제조 방법으로서, 상기 음향 정합층을 형성하는 프로세스가, (a) 겔 원료액을 조제하는 공정과, (b) 상기 음향 정합층이 형성되는 면 상에, 소정의 높이를 갖는 두께 규제 부재를 마련하는 공정과, (c) 상기 면 상에 상기 겔 원료액을 부여하는 공정과, (d) 상기 면 상에 부여된 상기 겔 원료액이 형성하는 액층의 두께를 상기 두께 규제 부재의 높이에 대략 일치시키는 공정과, (e) 상기 겔 원료액으로부터 습윤 겔을 형성하는 고체화 공정과, (f) 상기 습윤 겔에 포함되는 용매를 제거함으로써 건조 겔을 형성하는 건조 공정을 포함한다. 제 2 국면의 초음파 송수파기의 제조 방법에 따르면, 음향 정합층의 두께가 소정의 두께로 제어되므로, 두께의 편차에 기인하는 특성의 편차가 억제된다.
임의 실시예에서, 상기 음향 정합층은 상기 압전체층 측에 배치된 제 1 음향 정합층과, 상기 제 1 음향 정합층 상에 마련된 제 2 음향 정합층을 갖고, 상기 제 2 음향 정합층을 형성하는 프로세스가 상기 공정(a)∼(f)를 포함한다.
임의 실시예에서, 상기 두께 규제부의 높이는 대응하는 음향 정합층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 약 4분의 1이다.
본 발명에 따른 음향 정합층에 이용되는 건조 겔은 무기 산화물을 고체 골격부로 하는 건조 겔이어도 좋고, 유기 고분자를 고체 골격부로 하는 건조 겔이어도 좋다.
본 발명의 제 1 국면에 따른 음향 정합층은 건조 겔의 분말을 포함한다. 음향 정합층을 건조 겔의 분말을 이용해 형성함으로써, 습윤 겔의 건조 과정의 불균일에 기인하는 특성 편차가 억제된다.
도 1(a) 및 도 1(b)에 본 발명의 제 1 국면에 따른 실시예의 음향 제조층의 구조를 모식적으로 나타낸다.
도 1(a)에 나타내는 음향 정합층(3A)은 건조 겔의 분말(이하, 「분말 건조 겔」이라고도 함)(3a)과, 첨가제(3b)로 구성되어 있다.
본 명세서에 있어서의 「건조 겔」이란, 졸겔 반응에 의해 형성되는 다공체 이며, 겔 원료액의 반응에 의해 고체화한 고체 골격부가 용매를 포함하여 구성된 습윤 겔을 거쳐, 건조되어 용매 제거하는 것에 의해 형성되는 것이다.
건조 겔을 얻기 위해서, 습윤 겔로부터 용매 제거해서 건조하는 방법으로는, 초임계 건조, 동결 건조 등이 특별한 조건의 건조 방법이나, 가열 건조, 감압 건조, 자연 방치 건조 등의 통상 건조 방법을 이용할 수 있다.
초임계 건조는 용매를 그 경계점 이상의 온도, 압력 조건으로 한 초임계 상태로 제거하는 방법이며, 기체와 액체간 계면이 없게 겔의 고체 골격부에 건조 스트레스를 부여하지 않기 때문에 수축하거나 하지 않고도, 매우 저밀도의 건조 겔을 얻을 수 있다. 그 반면, 초임계 건조로 얻은 건조 겔은 사용 환경에서의 스트레스, 예컨대, 결로(結露)나 열 스트레스, 약품 스트레스, 기계 스트레스 등의 영향을 받는 경우도 있다.
그에 비해, 통상의 건조 방법에 의해 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 두어야 한다. 예컨대, 고체 골격부를 숙성하여 강도를 증가시키거나, 소수화할 때에 고체 골격부를 보강하도록 온도 조건이나 중합하기 쉬운 다관능(多官能)의 소수화제를 적용하거나, 세공의 크기를 제어하거나 함으로써 실현할 수 있다. 특히, 기체의 유량을 계측할 때에는, 여러 가지 환경에서 사용되는 일이 있기 때문에, 통상의 건조 방법으로 제작한 건조 겔로 음향 정합층을 얻는 것이 바람직하다. 또한, 통상의 건조 방법을 적용하는 경우에는, 초임계 건조와 같은 고압의 프로세스는 아니기 때문에, 설비가 편리하게 되고, 취급도 쉬워지는 등 이점도 있다.
상술한 방법으로 얻어지는 건조 겔은 나노미터 크기의 고체 골격부에 의해 평균 세공 직경이 1㎚ 내지 100㎚의 범위 내에 있는 연속 기공이 형성되어 있는 나노 다공체이다. 그 때문에, 밀도가 500㎏/㎥ 이하, 바람직하게는 400㎏/㎥ 이하의 저밀도인 상태에서는, 건조 겔이 갖는 특이한 그물눈 형상 골격을 형성하고 있는 고체 부분을 전파하는 음속이 극단적으로 작아지고, 또한 세공에 의해 다공체 내의 기체 부분을 전파하는 음속도 극단적으로 작아진다고 하는 성질을 갖는다. 그 때문에, 음속으로서 500m/s 이하의 매우 느린 값을 나타내고, 낮은 음향 임피던스를 얻을 수 있다고 하는 특징을 갖는다.
또한, 나노미터 크기의 세공부에서는, 세공 크기가 기체 분자의 평균 자유 행정과 같은 정도 이하로 되어 있고, 기체의 압력 손실이 크기 때문에 음향 정합층으로 이용한 경우에, 음파를 높은 음압(音壓)으로 방사할 수 있다는 특징도 갖는다.
분말 건조 겔의 평균 입경은 1㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이 하한값보다도 작으면 분말 중 세공수가 감소하여 건조 겔의 특징적으로 효과가 저감되고, 또한 성형 시의 첨가제의 필요량이 증가하기 때문에 저밀도의 음향 정합층을 얻는 것이 어렵게 되는 경우가 있다. 분말 건조 겔의 평균 입경이 상한값보다도 크면, 음향 정합층의 두께 제어가 어렵게 되고, 두께의 균일성 및 표면의 평탄성이 충분한 음향 정합층을 형성하는 것이 어렵게 되는 경우가 있다.
건조 겔의 고체 골격부는 무기 산화물 또는 유기 고분자여도 좋다. 또한, 고체 골격부가 소수화되어 있는 것이 바람직하다. 소수화함으로써, 예컨대, 계측 대상의 기체 중에 수분이나 불순물이 존재한 경우에, 그들의 흡착이나 부착의 영향을 받기 어렵게 할 수 있으므로, 보다 신뢰성 높은 음향 정합층을 얻을 수 있다.
무기 산화물의 건조 겔의 고체 골격부의 소수화는, 예컨대, 실란 커플링제 등의 표면 처리제를 이용해 실행한다. 표면 처리제로는, 트리메틸크롤실란, 디메틸디크롤실란, 메틸트리크롤실란, 에틸트리크롤실란 등의 할로겐계 실란 처리제, 트리메틸메톡시실란, 트리메틸에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 메틸트리에톡시실란 등의 알콕시계 실란 처리제, 헥사메틸디실록산, 디메틸실록산올리고마 등의 실리콘계 실란 처리제, 헥사메틸디실라잔 등의 아민계 실란 처리제, 프로필알코올, 부틸알코올, 헥실알코올, 옥타놀, 데카놀 등의 알코올계 처리제 등을 이용할 수 있다.
또한, 이들 처리제가 갖는 알킬기의 수소가 일부 또는 모두가 불소로 치환된 불소화 처리제를 이용하면, 소수화(발수성)에 부가해서, 발유성(撥油性), 방오성(防汚性) 등의 더욱 우수한 효과를 얻을 수 있는 것이다.
또, 무기 산화물의 건조 겔의 고체 골격부는 적어도 산화규소(silica) 또는산화알루미늄(알루미나)을 성분으로 하는 것을 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 유기 고분자의 건조 겔의 고체 골격부는 일반적인 열경화성 수지, 열가소성 수지로 구성할 수 있다. 예컨대, 폴리우레탄, 폴리우레아, 페놀 경화 수지, 폴리아크릴아미드, 폴리메타크릴산메틸 등을 적용할 수도 있다.
특히, 무기 산화물의 고체 골격부를 갖는 건조 겔은 내습 신뢰성이나, 내화학 약품성에 우수하고, 또한 음향 임피던스의 온도 특성에 우수하다. 즉, 무기 산화물의 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, 유기 고분자 겔을 이용하면, 상기 음향 임피던스의 온도 변화율의 절대값을 0.04%/℃ 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.
분말 건조 겔(3a)을 서로 결합하여, 음향 정합층(3A)의 기계적인 강도를 향상시키기 위한 첨가제(바인더)(3b)로는, 열결착성을 갖는 고분자 분말을 적합하게 이용할 수 있다. 액체 형상의 재료를 이용하면, 건조 겔의 세공 내부로 침투하여, 음향 특성을 바꾸거나, 성형성을 낮추는 일이 있으므로, 고체 형상 재료, 특히 분말을 이용하는 것이 바람직하다.
여기서, 「열결착성 고분자」란, 실온에서 고체 형상으로, 가열에 의해 용융 또는 연화하고, 그 후 고화하는 고분자를 가리킨다. 열결착성 고분자는 일반적인열가소성 수지(예컨대, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 엔지니어링 플라스틱)뿐만 아니라, 예컨대, 실온에서는 고체 형상으로 가열에 의해 일단 연화하고, 그 후, 가교 경화하는 열경화성 수지(예컨대, 페놀 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지)를 이용할 수 있다. 또한, 열경화성 수지가 주제와 경화제를 포함하는 경우, 각각을 다른 분말로서 첨가하여도 좋다. 물론, 열가소성 수지와 열경화성 수지를 혼합하여 이용하여도 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(3a)과 첨가제의 혼합 분말을 가열하면서 가압 성형할 때에, 용융(연화)한 첨가제가, 냉각에 따라 고화함으로써, 및/또는, 가교 경화함으로써, 분말 건조 겔(3a)끼리를 접합하는 역할을 한다.
열결착성 고분자 분말의 평균 입경은 0.1㎛ 이상 50㎛ 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 경우가 있다.
또한, 열결착성 고분자 분말의 첨가량은 전체의 40질량% 이하인 것이 바람직하다. 전체의 40질량%을 초과하면, 성형했을 때의 밀도가 높게 되는 경우가 있다. 또한, 충분한 기계 강도를 얻기 위해서는, 예컨대, 전체의 5질량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.
상기한 첨가제(「첨가제 A」라 하는 경우가 있음)와 분말 건조 겔의 접합을 강화하기 위해서, 도 1(b)에 모식적으로 나타낸 음향 정합층(3B)과 같이, 섬유(무기 섬유(예컨대, 글래스 울)이나 유기 섬유)나 위스커(whisker) 등을 더 첨가하여도 좋다(「첨가제 B」라 하는 경우가 있음). 도 1(b)의 음향 정합층(3B)에서, 첨가제(3b)는 상기와 같은 열결착성 고분자 분말이며, 첨가제(3c)는 단섬유이다. 단섬유의 바람직한 직경의 범위는 상기한 열결착성 고분자 분말의 평균 입경과 같은 정도이며, 섬유의 길이는 수㎛∼수㎜ 정도인 것이 바람직하다.
두 가지의 첨가제의 첨가량은 전체에 대해 40질량% 이하인 것이 바람직하고, 배합 비율은 필요에 따라서 적절히 설정된다.
본 발명의 분말 건조 겔을 이용한 음향 정합층은 음향 임피던스를 조정하기 쉽다고 하는 이점을 더 갖고 있다. 예컨대, 서로 다른 밀도를 갖는 복수 종류의 분말 건조 겔을 혼합함으로써, 음향 임피던스를 조정할 수 있다. 또한, 상기한 첨가제 A(필요에 따라서 첨가제 B)의 양을 조절함으로써, 음향 임피던스를 조정할 수 있다. 물론, 첨가제 A 및 B의 첨가량은 성형성 등을 고려하여 상기 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
또, 음향 정합층(3A, 3B)의 두께는 각각의 음향 정합층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 약 4분의 1의 두께로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2 국면에 따른 실시예의 초음파 송수파기의 제조 방법은 압전체층과, 압전체층 상에 마련된 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기의 제조 방법으로서, 음향 정합층을 형성하는 프로세스가, (a) 겔 원료액을 조제하는 공정과,(b) 음향 정합층이 형성되는 면 상에, 소정의 높이를 갖는 두께 규제 부재를 마련하는 공정과, (c) 면 상에 상기 겔 원료액을 부여하는 공정과, (d) 면 상에 부여된 겔 원료액이 형성하는 액층의 두께를 두께 규제 부재의 높이에 대략 일치시키는 공정과, (e) 겔 원료액으로부터 습윤 겔을 형성하는 고체화 공정과, (f) 습윤 겔에 포함되는 용매를 제거함으로써 건조 겔을 형성하는 건조 공정을 포함한다. 따라서, 음향 정합층의 두께가 소정의 두께로 제어되므로, 두께의 편차에 기인하는 특성 편차가 억제된다.
물론, 음향 정합층을 상기한 분말 건조 겔을 이용해 형성함으로써, 특성 편차를 더 억제할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 분말 건조 겔을 이용하면, 미리 분말 건조 겔을 제작해 둘 수 있으므로, 초음파 송수파기의 생산성을 향상시킬 수 있다는 이점도 얻어진다. 즉, 상술한 초음파 송수파기의 제조 프로세스에서, 겔 원료액을 고체화하여 습윤 겔을 얻는 공정 및 이것을 건조하는 공정을 미리 실행해 둘 수 있으므로, 초음파 송수파기의 제조 스루풋을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 보다 구체적인 실시예를 설명한다. 또, 음성 정합층 및 그 접합 구조를 제외한, 초음파 송수파기의 기본적인 구성은 도 10에 나타낸 종래의 초음파 송수파기(10)와 동일하므로, 중복하는 설명은 생략한다.
다음에, 도 2 내지 도 7을 이용해, 도 8에 나타낸 음향 정합층(100)을 제조하고, 그것을 압전체층(2) 또는 케이스(1)에 장착하여 초음파 송수파기를 제조하는 방법의 실시예에 대하여 설명한다.
(실시예 1)
도 2는 본 발명의 실시예 1의 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기의 제조 방법을 설명하는 공정도이다. 이 도면을 공정 1 내지 공정 4의 순서로 설명한다.
·공정 1 : 다공체로 이루어지는 저밀도의 분말 건조 겔(밀도 약 200㎏/㎥∼400㎏/㎥)과 10질량% 정도(전체에 대해)의 첨가제 A와 첨가제 B를 준비한다. 여기서 준비하는 건조 겔은 반드시 분말일 필요는 없다. 블록 형상이어도 좋다. 건조 겔은, 예컨대, 평균 세공 직경이 20㎚인 실리카 건조 겔이며, 첨가제 A는 폴리프로필렌 분말이며, 첨가제 B는 섬유 직경이 10㎛ 정도인 글래스 울이다.
·공정 2 : 이들을 동일 용기 내에 넣고, 혼합 분쇄하여, 미세한 분말을 제조한다. 전형적으로는 밀(mill)을 이용해 실행된다. 여기서, 상술한 소망의 평균 입경의 분말 건조 겔을 얻을 수 있도록, 분쇄 조건을 조정한다. 또한, 필요에 따라서 분급(分級)하여도 좋다. 물론, 건조 겔의 분쇄 공정과, 혼합 공정을 별도로 행하여도 좋다.
·공정 3 : 저밀도의 분말 건조 겔과 첨가제 A와 첨가제 B로 이루어지는 혼합 분말을 소망량 측량하고, 압전체층(2)이 접착된 케이스(1) 상에 공급한다.
·공정 4 : 이 위로부터 혼합 분말(3)의 성형체 두께를 제어하여, 약 λ/4의 두께가 되도록 하기 위해 두께 규제 부재(제어부)(4)를 설치하고, 가열 가압 성형한다. 그렇게 하면, 첨가제 A가 일단 용융하고, 그 후 냉각 고화함으로써, 저밀도의 분말 건조 겔이 고정화된다. 또한, 첨가제 B는 첨가제 A가 분말 건조 겔끼리의 결합 강도를 더욱 높일 수 있게 작용하여, 딱딱한 음향 정합층을 얻을 수 있다.
또한, 이와 같이 함으로써, 분말 건조 겔과 첨가제 A와 첨가제 B로 이루어지는 음향 정합층(3)은 접착제를 사용하지 않고 케이스(1)에 접착할 수 있다.
물론, 상술한 바와 같이, 분말 건조 겔을 이용해 음향 정합층을 형성하는 과정에서, 음향 정합층의 두께를 제어하는 것이 바람직하지만, 분말 건조 겔만을 이용하여도, 종래보다도 특성의 편차가 작은 음향 정합을 얻을 수 있다. 또한, 상술한 방법을 이용하면, 접착제를 이용하는 일없이, 음향 정합층(3)을 케이스(1)에 직접 접합할 수 있으므로, 종래와 같이 에폭시계의 접착제를 필요로 하지 않고, 화학적인 안정성(예컨대, 유황 S를 포함하는 가스에 대한 안정성)이 향상한다. 그러나, 용도 등에 따라서는, 미리 형성한 음향 정합층을 접착제를 이용해 케이스에 접합하여도 좋다.
또한, 이 때, 압전체는 분말 건조 겔로 이루어지는 음향 정합층을 형성하는 가압 가열 성형 시에 함께 접착시켜도 좋다.
본 실시예에 따르면, 저밀도이고, 딱딱하고, 음성 임피던스가 낮으며, 두께 정밀도가 높고, 고정밀도인 음향 정합층을 형성할 수 있어, 이것을 이용함에 따라 고감도의 신뢰성 높은 안정한 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.
또, 여기서는, 압전체층(2)을 내포하는 오목부를 형성하는 상판(1a)과, 오목부 내의 공간을 밀폐하도록 배치되는 저판(1b)을 갖는 케이스(1)를 이용한 예를 나타내었지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 압전체층(2) 상에 음향 정합층(3)을 직접 접합한 것을 원통형 케이스 내에 밀폐하여도 좋다.
(실시예 2)
도 3은 본 발명의 실시예 2의 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기의 제조 방법을 설명하는 공정도이다. 이 도면을 공정 1 내지 공정 5의 순서로 설명한다.
·공정 1 : 다공체로 이루어지는 저밀도의 분말 건조 겔과, 10질량% 정도의 첨가제 A를 준비한다. 여기서, 첨가제 A로서, 에폭시 수지(주제)의 분말(첨가제 A1)과, 이 에폭시 수지의 경화제로 되는 폴리아미드 수지의 분말(첨가제 A2)을 이용한다.
·공정 2 : 이들을 동일 용기 내에 넣고, 혼합 분쇄하여, 미세한 분말을 제조한다.
·공정 3 : 저밀도 분말 건조 겔과 첨가제 A1과 첨가제 A2로 이루어지는 혼합 분말을 소망량 측량하여, 압전체층(2)이 접착된 케이스(1) 상에 공급한다.
이 공정까지는, 상기한 실시예 1과 마찬가지로 실행할 수 있다.
·공정 4 : 이 혼합 분말(3)이 투입된 케이스(1)를 가진기(加震器) 등에 의해 진동을 가하여, 투입된 혼합 분말(3) 층을 평탄화한다.
·공정 5 : 이 위에서 혼합 분말(3)의 성형체 두께를 제어하여, 약 λ/4의 두께가 되도록 하기 위해 두께 규제 부재(제어부)(4)를 설치하고, 가열 가압 성형한다. 그렇게 하면, 첨가제 A1과 첨가제 A2가 가교 경화 반응을 일으켜, 저밀도의 분말 건조 겔이 고정화되어, 딱딱한(기계 강도가 우수한) 음향 정합층을 얻을 수 있다.
이와 같이 함으로써, 분말 건조 겔과 첨가제 A와 첨가제 B로 이루어지는 음향 정합층은 접착제를 사용하지 않고서 케이스(1)에 접착할 수 있다.
또한, 이 때, 압전체는 분말 건조 겔로 이루어지는 음향 정합층을 형성하는 가압 가열 성형 시에 함께 접착시켜도 좋다.
본 실시예에 따르면, 가압 성형에 의해 혼합 분말의 성형체를 형성하기 전에, 혼합 분말 층의 상면을 평탄화하는 공정을 더 포함하고 있으므로, 실시예 1에서 얻어지는 음향 정합층보다도 특성의 편차가 더욱 작다.
(실시예 3)
도 4는 본 발명의 실시예 3의 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기의 제조 방법을 설명하는 공정도이다. 이 도를 공정 1 내지 공정 4의 순서로 설명한다.
·공정 1 : 케이스(1)에 압전체층(2)을 접착한다. 접착은 공지의 접착제 등을 이용해 실행할 수 있다.
·공정 2 : 이 케이스(1) 상에 음향 정합층의 두께를 제어하여, 약 λ/4의 두께가 되도록 하기 위해 두께 규제 부재(제어부)로서 유기막 등으로 이루어지는 O-링(31)을 설치한다.
·공정 3 : 이 O-링(31)이 설치된 케이스(1) 상에, 졸 용액으로서 pH9∼10의 규산수용액을 한 방울씩 떨어뜨려, 규산수용액의 pH를 5.5로 조정한다. 그 후, 위로부터 평판(32)으로 가압하여, 습윤 겔(33)을 형성한다. 이 규산수용액이 겔화할 때에, 케이스(1) 표면의 OH기와 원료의 실라놀기가 반응해서 화학 결합하고, 케이스(1)의 표면에 습윤 겔막이 형성된다.
·공정 4 : 얻어진 습윤 겔을 트리메틸클로르실란(TMSC)의 아세톤 용액으로써 소수화하여, 탈수 처리를 행한다. 또한, 헥산으로 용매 치환한 후, 100℃로 유지한 용기 중에서 건조하여, 산화규소의 실리카 건조 겔막(34)을 형성한다. 그렇게 하면, 저밀도의 건조 겔막이 고정화되어, 음향 정합층을 얻을 수 있다.
이와 같이 함으로써, 건조 겔로 이루어지는 음향 정합층은 접착제를 사용하지 않고 케이스(1)에 접착할 수 있다.
또, 이 때, 압전체는 건조 겔로 이루어지는 음향 정합층을 형성한 후에 접착시켜도 좋다.
이상으로부터, 저밀도로, 음향 임피던스가 낮고, 두께 정밀도가 높고, 고밀도인 음향 정합층을 형성할 수 있고, 이것을 이용하는 것에 따라 고감도의 신뢰성이 높은 안정한 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.
(실시예 4)
도 5는 본 발명의 실시예 4의 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기의 제조 방법을 설명하는 공정도이다. 이 도를 공정 1 내지 공정 4의 순서로 설명한다.
·공정 1 : 케이스(1)에 압전체층(2)을 접착시킨다.
·공정 2 : 이 케이스(1)의 위에 음향 정합층의 두께를 제어하고, 약 λ/4의 두께가 되도록 하기 위해 두께 규제 부재(제어부)로서 금속 등으로 이루어지는 와이어(41)를 설치한다.
·공정 3 : 이 와이어(41)가 설치된 케이스(1)의 위에, 졸 용액으로서pH9∼10의 규산수용액을 한 방울씩 떨어뜨리고, 규산수용액의 pH를 5.5로 조정한다. 그 후, 위에서 평판(32)으로 눌러, 습윤 겔(33)을 형성한다. 이 규산수용액이 겔화할 때에, 케이스(1)의 표면의 OH기와 원료인 실라놀기가 반응해서 화학 결합하여, 케이스(1)의 표면에 습윤 겔막이 형성된다.
·공정 4 : 얻어진 습윤 겔을 트리메틸크롤실란(TMSC)의 아세톤 용액으로써 소수화하여, 탈수 처리를 행한다. 또한, 헥산으로 용매 치환 후, 100℃로 유지한 용기 내에서 건조하여, 산화규소의 실리카 건조 겔막(34)을 형성한다. 그렇게 하면, 저밀도의 건조 겔막이 고정화되어, 음향 정합층을 얻을 수 있다.
이와 같이 함으로써, 건조 겔로 이루어지는 음향 정합층은 접착제를 사용하지 않고서 케이스(1)에 접착할 수 있다.
또한, 이 때, 압전체는 건조 겔로 이루어지는 음향 정합층을 형성한 후에 접착시켜도 좋다.
이상으로부터, 저밀도로, 음향 임피던스가 낮고, 두께 정밀도가 높고, 고밀도인 음향 정합층을 형성할 수 있어, 이것을 이용함에 따라 고감도인 신뢰성이 높은 안정인 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.
(실시예 5)
도 6은 본 발명의 실시예 5의 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기의 제조 방법을 설명하는 공정도이다. 이 도를 공정 1 내지 공정 4의 순서로 설명한다.
·공정 1 : 케이스(1)에 압전체층(2)을 접착시킨다.
·공정 2 : 이 케이스(1) 위에 음향 정합층의 두께를 제어하여 λ/4의 두께가 되도록 하기 위해 두께 제어부로서 비즈(51)를 설치한다. 비즈(51)로는, 예컨대, 후속 공정의 처리에서, 녹거나, 변질하지 않는 것이면 좋고, 유리 등의 무기 재료나 가교된 고분자 등의 유기 재료 등으로 형성된 비즈를 이용할 수 있다.
·공정 3 : 이 비즈(51)가 설치된 케이스(1) 위에, 졸 용액으로서 pH9∼10의 규산수용액을 한 방울씩 떨어뜨리고, 규산수용액의 pH를 5.5로 조정한다. 그 후, 위에서 평판(32)으로 눌러, 습윤 겔(33)을 형성한다. 이 규산수용액이 겔화할 때에, 케이스(1)의 표면의 OH기와 원료인 실라놀기가 반응해서 화학 결합하여, 케이스(1) 표면에 습윤 겔막이 형성된다.
·공정 4 : 얻어진 습윤 겔을 디메틸디메톡시실란의 아세톤 용액으로 소수화하여, 탈수 처리를 행한다. 또한, 헥산으로 용매 치환 후, 100℃로 유지한 용기 중에서 건조하여, 산화규소의 실리카 건조 겔막(34)을 형성한다. 그렇게 하면, 저밀도의 건조 겔막이 고정화되어, 음향 정합층을 얻을 수 있다.
이와 같이 함으로써, 건조 겔로 이루어지는 음향 정합층은 접착제를 사용하지 않고 케이스(1)에 접착할 수 있다.
또한, 이 때, 압전체는 건조 겔로 이루어지는 음향 정합층을 형성한 후에 접착시켜도 좋다.
이상으로부터, 저밀도이고, 음향 임피던스가 낮고, 두께 정밀도가 높으며, 고밀도인 음향 정합층을 형성할 수 있고, 이것을 이용함에 따라 고감도의 신뢰성이 높은 안정한 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.
(실시예 6)
도 7은 본 발명의 실시예 6의 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기의 제조 방법을 설명하는 공정도이다. 이 도면을 공정 1 내지 공정 4의 순서로 설명한다.
·공정 1 : 케이스(1)에 압전체층(2) 및 세라믹(61)을 접착시킨다. 세라믹(61)은 제 1 음향 정합층으로서 기능한다. 예컨대, 세라믹(61)으로는 실리카, 알루미나, 지르코니아 등을 적합하게 이용할 수 있다.
·공정 2 : 이 케이스(1) 위의 세라믹(61) 상의 주변에 음향 정합층의 두께를 제어하여, 약 λ/4의 두께가 되도록 하기 위해 두께 규제 부재(제어부)로서 유기막 등으로 이루어지는 O-링(31)을 설치한다.
·공정 3 : 이 O-링(31)이 설치된 세라믹(61) 상에, 졸 용액으로서 pH9∼10의 규산수용액을 한 방울씩 떨어뜨리고, 규산수용액의 pH를 5.5로 조정한다. 그 후, 위에서 평판(32)으로 눌러, 습윤 겔(33)을 형성한다. 이 규산수용액이 겔화할 때에, 케이스(1) 표면의 OH기와 원료의 실라놀기가 반응해서 화학 결합하여, 케이스(1)의 표면에 습윤 겔막이 형성된다.
·공정 4 : 얻어진 습윤 겔을 트리메틸크롤실란(TMSC)의 아세톤 용액으로써 소수화하여, 탈수 처리를 행한다. 또한, 50℃로 유지한 용기 속에서 건조하여, 산화규소의 실리카 건조 겔막(34)을 형성한다. 그렇게 하면, 저밀도의 건조 겔막이 고정화되어, 음향 정합층을 얻을 수 있다. 그 후, 케이스(1)의 저판(덮개판), 구동 단자 등을 조합하면 압전 진동자(10)가 완성된다.
이와 같이 함으로써, 건조 겔로 이루어지는 음향 정합층은 접착제를 사용하지 않고 세라믹(61)에 접착할 수 있고, 또한 2층 음향 정합층에 의한 고감도화를 달성할 수 있다.
또한, 이 때, 압전체는 건조 겔로 이루어지는 음향 정합층을 형성한 후에 접착시켜도 좋다.
2층 구조의 음향 정합층(압전체층 측을 제 1 음향 정합층, 기체 측을 제 2 음향 정합층으로 함)을 채용하는 경우, 제 2 음향 정합층의 음향 임피던스 Zb가 제 1 음향 정합층의 음향 임피던스 Za보다도 작은 것이 바람직하다. 또한, 제 1 음향 정합층의 밀도가 400㎏/㎥ 이상 1500㎏/㎥ 이하의 범위 내에 있고, 제 2 음향 정합층의 밀도가 50㎏/㎥ 이상 500㎏/㎥ 이하의 범위 내에 있으며, 또한 제 2 음향 정합층의 밀도가 제 1 음향 정합층의 밀도보다도 작은 것이 바람직하다. 예컨대, 제 1 음향 정합층의 밀도가 400㎏/㎥ 초과 800㎏/㎥ 이하의 범위 내에 있고, 제 2 음향 정합층의 밀도가 50㎏/㎥ 이상 400㎏/㎥ 이하의 범위 내에 있다.
제 1 음향 정합층는 여기서 예시한 세라믹이나, 무기 재료의 섬유체, 소결 다공체, 유리 벌룬이나 플라스틱 벌룬을 수지 매트릭스로 굳힌 재료 등의 공지 재료를 이용해 형성할 수 있다. 한편, 건조 겔을 이용함에 따라 상기한 조건을 만족하는 제 2 음향 정합층을 얻을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 저밀도로, 음향 임피던스가 낮고, 두께 정밀도가 높은 제 2 음향 정합층을 형성할 수 있으므로, 2층 구조의 음향 정합층의 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예의 음향 정합층을 이용함에 따라, 고감도의 신뢰성이 높은 안정한 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.
(실시예 7)
도 8은 본 발명의 초음파 유량계에 이용하는 초음파 송수파기의 압전 진동자의 단면도이다. 이 도면에서, 전기-초음파 상호 변환하는 압전 진동자(10)는 압전체층(2)과 음향 정합층(100)으로 구성되어 있다. 압전체층(2)은 초음파 진동을 발생시키는 것으로, 압전 세라믹이나 압전 단결정 등으로 이루어지고, 두께 방향으로 분극되어, 상하면에 전극을 갖고 있다. 음향 정합층(100)은 기체에 초음파를 송파, 또는 기체를 전파해 오는 초음파를 수파하기 위한 것으로, 구동 교류 전압에 의해 여진되는 압전체층(2)의 기계적 진동이 외부 매체에 초음파로서 효율적으로 방사되고, 도래한 초음파가 효율적으로 전압으로 변환되는 역할을 갖고, 상기 실시예를 이용해 형성되어, 압전체층(2)에서의 초음파의 송수파면을 형성하는 상태로 해서 케이스(1)의 외측으로 화학 결합에 의해 접합되어 있다.
또한, 두께 제어부(101)에 의해 음향 정합층(100)의 두께가 엄격하게 규정되는 것에 따라 표면 요철도 존재하지 않는다.
이와 같이 구성되어 있는 초음파 송수파기에서는, 구동 단자에 초음파 송수파기의 공진 주파수 근방의 주파수의 교류 신호 성분을 갖는 버스트 신호 전압을 인가하면, 압전 진동자(10)는 두께 진동 모드로 진동하고, 기체 또는 액체 등의 유체 중에 버스트 형상의 초음파를 방사하는 것으로 된다.
본 발명의 제 1 국면에 따른 음향 정합층은 건조 겔의 분말을 포함하므로,습윤 겔의 건조 과정의 불균일에게 기인하는 특성의 편차가 억제된다.
본 발명의 제 2 국면에 따르면, 음향 정합층의 제조 프로세스에서, 음향 정합층의 두께가 제어된다. 따라서, 음향 정합층 두께의 편차나 표면 요철에 기인하는 특성 편차가 억제된다.
또한, 무기 산화물 또는 유기 고분자의 건조 겔 형성 시에, 압전체 표면 또는 용기(케이스) 표면의 OH기와 원료 성분이 반응하여 화학적으로 결합되어 접착하므로, 접착층이 없는, 이른바 무접착층의 초음파 송수파기를 얻을 수 있다고 하는 우수한 효과도 얻어진다.
또한, 종래의 음향 정합층의 상층에, 그 두께 정밀도가 높은, 무기 산화물 또는 유기 고분자의 건조 겔로 이루어지는 음향 정합층을 형성함으로써, 더 고감도인 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.

Claims (25)

  1. 건조 겔의 분말을 포함한 음향 정합층.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조 겔의 밀도가 500㎏/㎥ 이하이며, 평균 세공(細孔) 직경이 100㎚ 이하인 음향 정합층.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 건조 겔의 분말의 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하의 범위 내에 있는 음향 정합층.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건조 겔의 고체 골격부가, 무기 산화물을 포함하는 음향 정합층.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 무기 산화물은 산화규소 또는 산화알루미늄인 음향 정합층.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열결착성 고분자 분말을 전체의 40 질량% 이하 포함하는 음향 정합층.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열결착성 고분자 분말은 평균 입경이 0.1㎛ 이상 50㎛ 이하의 범위 내에 있는 음향 정합층.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    음향 임피던스가 5×104㎏/s·㎡ 이상 20×104㎏/s·㎡ 이하의 범위 내에 있는 음향 정합층.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    25℃ 이상 70℃ 이하의 범위 내에서의 음향 임피던스의 온도 변화율이 -0.04%/℃ 이하인 음향 정합층.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향 정합층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 약 4분의 1의 두께를 갖는 음향 정합층.
  11. 압전체층과, 상기 압전체층 상에 마련된 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재한 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 음향 정합층이 상기 압전체층 상에 직접 결합되어 있는 초음파 송수파기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 압전체층을 내포하는 오목부를 형성하는 상판과, 상기 오목부 내의 공간을 밀폐하도록 배치되는 저판(底板)을 갖는 케이스를 더 갖고,
    상기 압전체층은, 상기 케이스의 상기 상판의 내면에 접착되어 있고,
    상기 음향 정합층은, 상기 상판을 거쳐 상기 압전체층에 대향하도록 상기 상판의 상면에 직접 결합되어 있는 초음파 송수파기.
  14. 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 회로로부터의 신호에 근거해서 유량을 산출하는 유량 연산 회로를 구비하는 초음파 유량계에 있어서,
    상기 한 쌍의 초음파 송수파기 각각은, 청구항 11 내지 13 중 어느 한 항에 기재한 초음파 송수파기로 구성되어 있는 초음파 유량계.
  15. 건조 겔의 분말과 열결착성 고분자 분말의 혼합 분말을 준비하는 공정과,
    상기 혼합 분말을 가압 성형하는 공정을 포함하는
    음향 정합층의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 혼합 분말을 준비하는 공정은,
    상기 건조 겔을 준비하는 공정과,
    상기 열결착성 고분자 분말을 준비하는 공정과,
    상기 건조 겔과 상기 열결착성 고분자 분말을 혼합하면서 분쇄하는 공정
    을 포함하는 음향 정합층의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 혼합 분말을 가압 성형하는 공정은, 상기 혼합 분말을 가열하는 공정을 포함하는 음향 정합층의 제조 방법.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 분말을 가압 성형하는 공정은, 가압 성형에 의해 얻어지는 상기 혼합 분말 성형체의 두께를 소정 두께로 제어하는 공정을 포함하는 음향 정합층의 제조 방법.
  19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 분말을 가압 성형하는 공정은,
    하측 성형면 상에 소정량의 상기 혼합 분말을 공급하는 공정과,
    상기 하측 성형면 상에 공급된 상기 혼합 분말이 형성하는 층의 상면을 평탄화하는 공정
    을 포함하는 음향 정합층의 제조 방법.
  20. 압전체층과, 상기 압전체층 상에 마련된 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기의 제조 방법에 있어서,
    상기 음향 정합층을 청구항 15 내지 18 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 형성하는 공정을 포함하는 초음파 송수파기의 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 음향 정합층은 상기 압전체층 상에 직접 접합되는 초음파 송수파기의 제조 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 초음파 송수파는, 상기 압전체층을 내포하는 오목부를 형성하는 상판과, 상기 오목부 내의 공간을 밀폐하도록 배치되는 저판을 갖는 케이스를 더 갖고,
    상기 음향 정합층은 상기 케이스의 상기 상판의 상면에 직접 접합되는 초음파 송수파기의 제조 방법.
  23. 압전체층과, 상기 압전체층 상에 마련된 음향 정합층을 구비한 초음파 송수파기의 제조 방법에 있어서,
    상기 음향 정합층을 형성하는 프로세스가,
    (a) 겔 원료액을 조제하는 공정과,
    (b) 상기 음향 정합층이 형성되는 면 상에, 소정의 높이를 갖는 두께 규제 부재를 마련하는 공정과,
    (c) 상기 면 상에 상기 겔 원료액을 부여하는 공정과,
    (d) 상기 면 상에 부여된 상기 겔 원료액이 형성하는 액층의 두께를 상기 두께 규제 부재의 높이에 대략 일치시키는 공정과,
    (e) 상기 겔 원료액으로부터 습윤 겔을 형성하는 고체화 공정과,
    (f) 상기 습윤 겔에 포함되는 용매를 제거함으로써 건조 겔을 형성하는 건조 공정
    을 포함하는 초음파 송수파기의 제조 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 음향 정합층은, 상기 압전체층 측에 배치된 제 1 음향 정합층과, 상기제 1 음향 정합층 상에 마련된 제 2 음향 정합층을 갖고,
    상기 제 2 음향 정합층을 형성하는 프로세스가, 상기 공정 (a) 내지 (f)를 포함하는 초음파 송수파기의 제조 방법.
  25. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 두께 규제부의 높이는, 대응하는 음향 정합층 내를 전파하는 음파의 파장 λ의 약 4분의 1인 초음파 송수파기의 제조 방법.
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