KR20060125686A - 음향 정합체 및 그 제조 방법, 및 초음파 센서 및 초음파 송수신 장치 - Google Patents

Abstract

난소결성(難燒結性)의 세라믹스 분말을 적어도 1종류 갖는 함기포 세라믹스 슬러리를 성형 금형 내에서 겔화해서 겔상 다공질 성형체를 얻는 것, 겔상 다공질 성형체를 건조 및 탈지하는 것, 및 겔상 다공질 성형체를 소성함으로써 제조되는 세라믹스 다공질체를 그대로, 초음파 센서의 음향 정합층으로서 사용하고, 혹은 이 세라믹스 다공질체를, 그 표면에 얕은 오목부를 갖도록 성형해서, 이 오목부에 밀도가 작고, 음속이 작은 다른 다공질체를 배치한 복합체를, 초음파 센서의 음향 정합층으로서 사용한다.

Description

음향 정합체 및 그 제조 방법, 및 초음파 센서 및 초음파 송수신 장치{SOUND MATCHING BODY, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, ULTRASONIC SENSOR AND ULTRASONIC WAVE TRANSMITTING/RECEIVING SYSTEM}

본 발명은, 특히 진동 수단에서 발생하는 초음파를 기체 중에 효율적으로 전파, 혹은 기체 중을 전파해 오는 초음파를 효율적으로 수신하기 위한, 세라믹스 다공체(多孔體)를 포함하는 음향 정합체(整合體), 그것을 이용한 초음파 센서, 및 그 초음파 센서를 이용해서 초음파 송수신 신호 처리를 실행하는 초음파 송수신 장치에 관한 것이다.

초음파 센서에 이용하는 음향 정합층(整合層)을 다공체로 구성하는 것은 공지되어 있다(예를 들면, 일본국 특개평6-327098호 공보(특허 문헌 1)).

도 16에 나타낸 바와 같이, 초음파 센서(101)는, 1쌍의 대향 전극(106)에 끼워진 압전체(壓電體)(진동자라고도 한다)(102)와, 이것들 대향 전극(106)에 접속된 초음파 신호 발생 장치(105)로서 구성된다.

압전체(102)에서 발생한 초음파는 음향 정합층(103)을 통해서 공중에 방사된다. 이 음향 정합층(103)은, 예를 들면 에폭시 수지(樹脂) 중에 미소(微小) 중공(中空) 구체(球體)를 균일하게 분산시킨 것이며, 그 음속은 1800m/s, 밀도는 0.7× 10³kg/m³이다.

음향 정합층에 이용하는 다공체에는 여러 가지 형태의 것이 있다. 그 대표적인 것의 하나로서, 세라믹스 분말과 아크릴의 미소 구(球)를 혼합시킨 것을 필름 위에 얇게 도포하고, 건조한 후에 필름으로부터 벗김으로써 얻어지는 박막(薄膜)을 복수 장 적층하고, 적층체를 전기로로 세라믹스 분말이 결합할 때까지 온도를 올려서 소결시킴으로써 제조되는 것이 있다. 아크릴의 미소 구가 태워져 날아감으로써 공극(空隙)이 형성되어, 다공체가 형성된다. 이렇게 해서 제조되는 다공체의 특징은, 공극이 미소한 것과, 공극이 똑같은 분포로 구성되는 것이다(일본국 특개2002-51398호 공보(특허 문헌 2) 참조).

다른 음향 정합 부재로서, 복수의 미소 조각을 집합하여, 각각의 미소 조각의 접촉 면에서 서로 접합하는 구성을 갖는 것이 있다(예를 들면, 일본국 특개2001-346295호 공보(특허 문헌 3 참조)). 또한, 수지에 중공 구체(球體)가 혼입된 음향 정합층 재료를 이용한 음향 정합층의 제조 방법도 개시되어 있다(일본국 특개2002-58099호 공보(특허 문헌 4)).

또한, 중공 구상체(球狀體)를 가열하고, 연화(軟化)된 재료를 금형 속에서 압축하는 방법에 의해 음향 정합 부재를 제조하는 방법이 공지되어 있다(일본국 특개평2-177799호 공보(특허 문헌 5) 참조). 이 방법에 의하면, 중공 구상체가 매트릭스(matrix)를 형성하고, 인접하는 중공 구상체의 매트릭스 접점에서 서로 결합하고 있지만, 중공 구상체간에 공극이 존재하는 구조체를 얻을 수 있다. 일본국 특개 평2-177799호 공보에는, 이 구조체의 음속은 약 900m/s, 음향 임피던스는 약 4.5×10⁵kg/m²s로 기재되어 있다. 음향 임피던스는, 밀도(ρ)와 음속(C)의 적(ρ·C)으로 정의되므로, 이 중공 구체의 매트릭스는 밀도가 약 0.5g/cm³로 산출된다.

또한, 무기(無機) 산화물의 건조 겔(gel)로 이루어지는 음향 정합층도 공지되어 있다(예를 들면, 일본국 특개2002-262394호 공보(특허 문헌 6) 참조). 이것도 다공체 구조이며, 나노미터·오더의 치수를 갖는 구멍을 갖는다. 이러한 무기 산화물의 건조 겔은, 밀도가 0.5g/cm³ 이하, 음속이 500m/s 이하의 것으로서 얻을 수 있다.

이러한 무기 산화물의 건조 겔을, 복합 구조의 음향 정합층으로서 형성하는 것이 본 출원인(미국에 있어서의 양수인)에 의해 제안되어 있다(2003년 5월 14일 출원, 일본국 특원2003-136327호). 이 복합 구조의 음향 정합층은, 구체적으로는, 제1층과 제2층을 가지며, 제1층의 음향 임피던스 Z1과 제2층의 음향 임피던스 Z2가 Z1>Z2의 관계를 만족하고, 제2층이 무기 산화물의 건조 겔로서 이루어지는 것이다. 이 복합 구조의 음향 정합층의 제1층은, 구체적으로는, 아크릴제 미소 구와 SiO₂ 분말과 유리 프릿(glass frit)을 혼합한 분체(粉體)를 프레스 작업한 후에, 400℃의 열처리로 아크릴제 미소 구를 제거해서 공극을 형성하고, 추가로 900℃의 열처리로 소결시킴으로써 다공질체를 얻은 후, 이 다공질체를 적절한 크기, 예를 들면, 직경이 12mm, 두께가 0.85mm가 되도록 연마함으로써 제작된다.

상기 출원에는, 음향 정합층을 음향 임피던스가 상이한 복수의 부재, 특히 상이한 부재에 의해 구성하는 것에 유용성이 있다고 기재되어 있다. 더욱이 상기 출원에는 이것을 실현하기 위해서, 상기 제1층의 음향 정합층(다공질체)에, 겔화 및 건조하기 전의 유동성을 갖는 무기 산화물 재료를 충전하고 나서 고형화하여, 상기 제2층의 음향 정합층을 형성하는 것이 기재되어 있다. 상기 출원에 있어서는, 또한, 이 제조 방법에 의하면, 제1층과 제2층은 일부에 있어서 연속해서 일체화하고 있기 때문에, 물리적 형상 효과(앵커 효과)가 생겨서 층간에서 박리가 생기기 어렵게 된다고 기재되어 있다.

이렇게, 여러 가지 음향 정합 부재가 제안되어 왔다. 또한, 음향 정합층으로서 사용하는 것으로 언급하지 않고 있지만, 난소결성(難燒結性)의 세라믹스 분말을 갖는 함기포(含氣泡) 세라믹스 슬러리(slurry)를 겔화해서 얻은 겔상 다공질 성형체를 건조, 탈지, 소성(燒成)해서 세라믹스 다공체를 형성하는 방법이 일본국 특개2001-261463호 공보(특허 문헌 7)에서 개시되어 있다.

특허 문헌 1: 일본국 특개평6-327098호 공보

특허 문헌 2: 일본국 특개2002-51398호 공보

특허 문헌 3: 일본국 특개2001-346295호 공보

특허 문헌 4: 일본국 특개2002-58099호 공보

특허 문헌 5: 일본국 특개평2-177799호 공보

특허 문헌 6: 일본국 특개2002-262394호 공보

특허 문헌 7: 일본국 특개2001-261463호 공보

(발명이 해결하려고 하는 과제)

종래의 음향 정합 부재는, 그 특성 및 제조 용이성의 적어도 한쪽의 점에서, 반드시 만족할 수 있는 것은 아니었다. 예를 들면, 음향 정합 부재를 수지로서 형성하면, 그것을 이용한 초음파 센서는, 수지의 온도 특성의 영향을 받아, 온도에 의해 초음파의 송수신 파형의 진폭 및 주기가 변화되는 일이 있다. 이러한 온도에 의한 변화는, 초음파 센서를 이용한 초음파 수신 장치로 기체 유량 측정을 실행하는 데에 적합하지 않다.

일본국 특개2002-51398호 공보에서 제안되어 있는 바와 같이, 세라믹스 분말과 아크릴 구를 포함하는 복수 장의 필름을 적층하는 방법은, 공극 크기의 균일성 및 공극 분포의 균일성에 있어서 우수한 음향 정합 부재를 제공하지만, 제조 공정이 번잡하다. 또한, 이 방법을 따라서 얻은 음향 정합 부재에 있어서는, 아크릴 구가 남지 않기 때문에 낭비로 된다. 따라서, 이 방법은 제조 비용의 점에서도 불리하다.

복수의 미소 조각을 집합해서 다공체를 제조하는 방법, 및 중공 구상체가 매트릭스를 형성하도록 중공 구상체를 서로 결합시킨 다공체를 제조하는 방법에 의해 얻어지는 음향 정합 부재는, 접점에서의 결합이 약하고, 초음파의 전파 손실이 커지는 경향이 있다.

무기 산화물의 건조 겔은 음향 정합 부재에 적합한 우수한 특성을 구비하고 있다. 이것을 제2층으로 하고, 다른 다공체를 제1층으로 하는 복합 구조의 음향 정합 부재도, 또한, 마찬가지로 우수한 특성을 구비하고 있다. 그러나, 제1층으로서 사용하는 다공체에 따라서는, 무기 산화물의 건조 겔과 제1층의 다공체 사이의 결합의 강도가 충분하지 않은 것이 있다. 또한, 일본국 특원2003-140687호에 구체적으로 기재되어 있는 제1층의 제조 방법은, 반드시 용이하게 실시할 수 없다. 예를 들면, 아크릴제 미소 구와 SiO₂ 분말과 유리 푸릿을 혼합한 분체를 프레스 작업한 후에, 아크릴제 미소 구의 제거와 소결을 실시하는 제조 방법에 의해 얻어지는, 부재는, 소결 후에 적당한 크기로 연마할 필요가 있다. 이와 같은 연마는, 소결 후에 얻어지는 부재의 치수가, 소결 전의 프레스 작업한 분체의 치수의 약 3분의 1로 수축하고, 또한 소결 후의 부재에 있어서 휨이 발생함으로써 필요하게 된다. 그러나, 어느 부재를, 특히 주(主) 표면이 소정의 면적이 되도록, 또한 주 표면의 휨 및 요철(凹凸)의 정도가 소정의 범위 내가 되도록 연마하는 작업은 일반적으로 번잡하며, 시간을 요한다.

또한, 무기 산화물의 건조 겔은, 강도가 작아서 깨지기 쉽다고 하는 점에서, 실용적이지 않다. 그것은, 예를 들면, 무기 산화물의 건조 겔인 제2층과 다른 다공체인 제1층을 복합시킨 음향 정합 부재에 있어서, 제2층의 최적 두께가 작은 것에 의한다. 예를 들면, 주파수 f가 500kHz인 초음파를 취급할 경우, 건조 겔에 있어서의 음속 C가 500m/s라고 하면, 건조 겔을 전파하는 초음파의 파장 λ는 C/f로 구해지며, 1mm가 된다.

일반적으로, 음향 정합 부재의 최적 두께는 그것을 통과하는 초음파의 파장의 4분의 1이기 때문에, 건조 겔로서 이루어지는 음향 정합 부재의 최적인 두께는 0.25mm로 대단히 작아진다. 또한, 음향 정합 부재의 최적 두께는 음속에 따라 상이하기 때문에, 최적인 음향 정합 부재를 얻기 위해서는, 초음파 수신 장치를 조립한 후에 출력을 측정하면서, 임의의 출력이 얻어지도록 제2층을 연마해서 두께를 조절 할 필요가 있다. 그러나, 제2층이 건조 겔인 경우에는, 연마할 때에 제2층의 끝이 이지러지기 쉬우며, 그러한 두께를 실현하는 것은 일반적으로 곤란하다.

본 발명은, 종래의 음향 정합 부재가 갖는 문제를 감안해서 이루어진 것이며, 더욱 우수한 특성을 갖는 음향 정합체를 제공하는 것, 무기 산화물의 건조 겔을 효과적으로 이용해서 우수한 특성을 갖는 복합 구조의 음향 정합체를 제공하는 것, 및 그러한 음향 정합체를 간편하게 제조하는 것을 가능하게 하는 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

상기 목적을 달성하기 위해서 검토한 결과, 음향 정합체의 특성은, 다공체의 구멍 직경과 구멍 직경 분포의 영향을 받으며, 양호한 특성을 실현하기 위해서는, 다공체의 구멍 직경을 작게 하는 동시에, 구멍 직경 분포를 균일하게 하는 것이 유효한 것을 알았다. 또한, 구멍 직경이 작고, 또한 구멍 직경 분포가 균일하며, 높은 강도를 갖는 다공체의 하나로서, 일본국 특개2001-261463호 공보에 개시된 세라믹스 다공체에 착목(着目)하고, 이것을 음향 정합체로서 사용하면, 우수한 특성이 얻어지는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하는 데에 이르렀다.

또한, 상기 무기 산화물의 건조 겔에 이지러짐 등이 생기지 않도록 제조 및 사용할 가능성에 대해서 검토하였다. 구체적으로는, 무기 산화물의 건조 겔을 다른 다공체와 복합시킬 때에, 이 다른 타공체(他孔體)의 형상을 연구하여, 제2층의 단부(端部)를 보호하는 구성으로 하는 것을 검토하였다. 그래서, 제2층의 단부를 보호하는 구조로서, 이 다른 다공체에 오목부를 형성하고, 이 오목부 내에 무기 산화물의 건조 겔을 배치하여, 단부를 보호하는 구조를 검토하였다. 이와 같은 구조를 실현하기 위해서는, 오목부를 형성하기 위해서 이 다른 다공체를 절삭 가공 등을 할 필요가 있는 바, 일반적인 다공체는 절삭 가공이 실시하기 어렵고, 이것을 위한 작업에는 많은 시간과 비용이 필요하다. 본 발명자들은, 상기 특정의 세라믹스 다공체를 사용하면, 절삭 가공을 하는 일 없이 성형에 의해 오목부를 형성하는 것이 가능하며, 무기 산화물의 건조 겔의 단부가 이 세라믹스 다공체에 의해 보호되는 구성이 용이하게 얻어지는 것을 발견하였다.

즉, 본 발명은, 제1요지에 있어서, 세라믹스 다공체를 포함하는 음향 정합체로서, 이 세라믹스 다공체가,

세라믹스 매트릭스를 구성하는 세라믹스 입자를 포함하고,

이 세라믹 매트릭스가 복수의 구멍부를 규정하고,

이 세라믹스 매트릭스에 있어서, 세라믹스 입자간 공극이 형성되어 있는, 음향 정합체를 제공한다. 이 음향 정합체를 구성하는 세라믹스 다공체는, 균일한 구멍 직경 분포를 갖는다. 또한, 이 세라믹스 다공체는, 세라믹스 매트릭스가 규정하는 구멍부에 추가해서, 세라믹스 매트릭스에서 형성되는 세라믹스 입자간 공극을 갖는다. 즉, 이 세라믹스 다공체는, 전체로서 높은 강도를 가진 상태에서, 많은 공극을 갖는 구조로 되고, 그 밀도는 낮다. 또한, 구멍부와 세라믹스 입자간 공극이 존재함으로써, 세라믹스 매트릭스의 골격은 직선적으로 연장하는 일은 없고, 초음파에 대하여 꼬불꼬불 구부러진 경로를 부여한다. 이것은 초음파의 전파 속도를 저감시킨다. 따라서, 이 음향 정합체는, 저밀도 및 저음속의 특성을 갖는 것이 되고, 이것을 음향 정합층으로서 사용하는 초음파 센서는, 초음파의 전파 특성이 의미 있게 향상한 것으로 된다.

여기서, 「구멍부」라는 것은, 복수의 세라믹스 입자로서 이루어지는 세라믹 매트릭스를 거시적으로(예를 들면, 배율 20배 정도의 현미경으로) 관찰했을 때에, 빈 구멍으로서 인식되는 부분을 말한다. 「세라믹스 입자간 공극」이라는 것은, 세라믹스 매트릭스를 구성하는 입자와 입자와의 사이에 형성되는 미소한 공간을 말하며, 구체적으로는 직경 10㎛ 이하의 작은 구멍이다. 혹은, 「구멍부」는, 후술하는 방법을 따라서 세라믹스 슬러리를 발포시킴으로써 형성되는 빈 구멍이라고도 할 수 있고, 「세라믹스 입자간 공극」은, 발포의 유무에 관계없이, 세라믹스 중에 형성되는 빈 구멍이라고도 할 수 있다. 또한, 「음향 정합체」라고 하는 용어는, 음향 정합층으로서 초음파 센서 등에 조립하기 전의 독립한 부재를 가리키기 위해서 이용되고, 이것은 초음파 센서 등에 조립되면 「초음파 정합층」이라고 불린다. 즉, 「음향 정합체」와 「음향 정합층」은 그 기능 등에 있어서 바뀌는 것은 아니고, 초음파 센서 등에 조립되어 있는 것인가 아닌가 여부의 차이를 갖는 것뿐이다.

이 음향 정합체는, 그 구멍 직경 분포의 중심 값이 100㎛로부터 500㎛의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 구멍 직경이 500㎛을 초과하면, 초음파의 전파에 지장을 초래하는 일이 있다. 한편, 구멍 직경이 100㎛ 미만이라면, 초음파의 전파에는 지장을 초래하지 않지만, 후술하는 바와 같이, 이 음향 정합체와 다른 음향 정합체로서 이루어지는 복합 구조의 음향 정합체를 제조할 경우에 지장을 초래하는 일이 있다. 특히, 이 다른 음향 정합체를, 후술하는 바와 같이 액체의 원재료를 이 음향 정합체에 함침(含浸)시켜서 형성할 경우에, 구멍 직경이 작으면 표면 장력 때문에 함침이 진행되지 않고, 혹은, 용액 치환이 진행하기 어렵게 되는 일이 있다.

이 음향 정합체를 구성하는 세라믹스 다공체는, 표층과, 이 표층에 연속하는 내층을 갖고, 이 표층의 밀도는 이 내층의 밀도보다도 큰 것이 바람직하다. 여기서, 「밀도」라고 하는 용어는, 어떤 부재 또는 요소의 질량과 외관의 체적으로부터 구해지는 밀도(즉, 부피 밀도)를 가리키고, 본 명세서에 있어서 「밀도」는, 특히 미리 양해가 없는 한, 부피 밀도를 가리킨다. 이 구성에 의하면, 표층에 있어서 공극을 없애거나, 또는 더욱 작게 할 수 있으므로, 표층을 기체와 면하도록 배치했을 경우에는, 초음파를 더욱 효율적으로 기체에 전할 수 있고, 표층을 부착 면으로 할 경우에는, 접착제의 침투를 방지하여, 접착제의 침투에 의한 초음파 센서간의 초음파 출력의 변동을 적게 할 수 있다.

이 세라믹스 매트릭스는, 바람직하게는 난소결성의 세라믹스를 포함하는 것이 바람직하다. 난소결성의 세라믹스는, 바람직하게는 세라믹스 매트릭스의 80vol％를 차지하고, 더욱 바람직하게는 90vol％를 차지하며, 제일 바람직하게는 100vol％를 차지한다.

본 발명은, 또한, 제2요지에 있어서, 제1다공체 및 제2다공체를 포함하는 음향 정합체로서,

이 제1다공체가,

세라믹스 매트릭스를 구성하는 세라믹스 입자를 포함하고,

이 세라믹 매트릭스가 복수의 구멍부를 규정하고,

이 세라믹스 매트릭스에 있어서, 세라믹스 입자간 공극이 형성되어 있는, 세라믹스 다공체이며,

제2다공체가, 이 제1다공체보다도 밀도가 작고 음속이 느린 다공체인, 음향 정합체를 제공한다. 이 음향 정합체는, 제2다공체에 의해, 기체와의 음향 임피던스의 정합이 더욱 양호한 것으로 된다.

이 복합 구조의 음향 정합체는, 제1다공체에 있어서, 구멍부가, 그 구멍 직경 분포의 중심 값이 100㎛로부터 500㎛의 범위 내에 있는 치수를 갖는 것이 바람직하다. 제1다공체가 그러한 치수의 구멍부를 가지면, 후술하는 바와 같이, 제2다공체의 출발 원료 용액을 함침시키는 방법으로, 제2다공체를 제1다공체에 복합 일체화할 때에, 제2다공체의 원료 용액이 함침되기 쉽다. 또한, 그러한 치수의 구멍부는, 예를 들면, 주파수가 500kHz의 초음파 전파에 지장이 없는 것이다.

이 복합 구조의 음향 정합체에 있어서, 제2다공체는 무기 산화물의 건조 겔로 형성하는 것이 바람직하다. 무기 산화물의 건조 겔을 이용함으로써, 제2다공체를 제1다공체보다도 밀도가 작은 것으로 할 수 있으며, 또한 제1다공체와 제2다공체의 접합을 강하게 할 수 있다.

이 복합 구조의 음향 정합체에 있어서, 제2다공체는, 제1다공체에 의해 그 외주부(外周部)가 둘러싸여 있는 것이 바람직하다. 즉, 제2다공체는 그 표면 방향의 윤곽(즉, 제2다공체의 표면적을 결정하는 윤곽)이, 제1다공체와 접하고 있는 것이 바람직하다. 그것에 의해, 제2다공체의 바깥쪽 가장자리가 이지러지는 것이 방지되어, 예를 들면, 이 복합 구조의 음향 정합체의 두께를 제2다공체가 위치하는 표면을 연마함으로써 제어하는 것이 가능하게 된다.

이 복합 구조의 음향 정합체에 있어서, 제2다공체는, 제1다공체의 구멍부 및 세라믹스 입자간 공극의 일부 또는 전부를 충전하고 있는 것이 바람직하다. 그것에 의해, 제2다공체가 앵커 효과에 의해 제1다공체에 더욱 강고(强固)하게 결합한다.

본 발명은, 제3요지에 있어서, 난소결성의 세라믹스 분말을 적어도 1종류 갖는 함기포 세라믹스 슬러리를 성형 금형 내에서 겔화해서 겔상 다공질 성형체를 얻는 것,

겔상 다공질 성형체를 건조 및 탈지하는 것, 및

겔상 다공질 성형체를 소성하는 것을 포함하는, 음향 정합체의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은, 난소결성의 세라믹스 분말을 이용하는 것, 및 함기포 세라믹스 슬러리를 겔화하는 것에 특징이 있다. 이 제조 방법에 의하면, 상기 제1요지에서 제공되는 세라믹스 다공체를 간편하게 제조할 수 있다. 또는 이 제조 방법에 의하면, 구멍부의 치수 및 빈 구멍 비율의 제어도 가능해 지고, 그것에 의해 원하는 밀도 및 음속을 실현할 수 있다. 또한, 이 방법에 의하면, 소성해서 최종적으로 얻어지는 세라믹스 다공체의 체적은, 소성 전의 겔상 다공질 성형체의 체적으로부터 몇 퍼센트 정도 변화되는 것뿐이기 때문에, 소성 후에 생기는 휨을 작게 할 수 있다.

본 발명은, 제4요지에 있어서, 난소결성의 세라믹스 분말을 갖는 함기포 세라믹스 슬러리를 제1성형 금형 내에서 겔화해서 하나 또는 복수의 오목부를 갖는 겔상 다공질 성형체를 얻는 것,

겔상 다공질 성형체를 건조 및 탈지하는 것, 및

겔상 다공질 성형체를 소성하는 것을 포함하는 방법에 의해, 제1다공체를 형성하는 것, 및

제1다공체를, 제2성형 금형 내에 배치하는 것,

이 제2성형 금형 내에 제2다공체의 출발 원료 용액을 넣고, 제1다공체에 이 출발 원료 용액을 함침시키는 것, 및

이 출발 원료 용액을 고체화하는 것을 포함하는 방법에 의해, 이 오목부에 제2다공체를 형성하는 것을 포함하는, 음향 정합체의 제조 방법을 제공한다.

이 제조 방법은, 제2다공체를 배치하기 위한 하나 또는 복수의 오목부를 소성 전의 겔상 다공질 성형체에 형성하는 것을 특징으로 한다. 전술한 바와 같이, 제1다공체는, 소성 전후의 체적 변화를 작게 해서 제조할 수 있으므로, 미리 오목부를 형성한 경우라도 최종적으로 얻어지는 제1다공체에 있어서 원하는 치수의 오목부를 높은 정밀도로 얻을 수 있다. 또한, 제1다공체는, 소성에 의한 휨이 생기기 어렵기 때문에, 특히 오목부의 깊이가 소성 전후에서 변화되기 어렵다. 이것은, 치수 정밀도가 요구되는 제2다공체가, 원하는 또한 균일한 두께로 오목부 내에 형성되는 것을 가능하게 한다. 따라서, 이 제조 방법은, 소정 치수의 제2다공체가 제1다공체에 일체화한 구성을 얻는 것을 가능하게 한다. 또한, 이 제조 방법은, 오목부를 형성하기 위해서 제1다공체를 절삭 가공하는 것을 필요로 하지 않기 때문에, 이 제조 방법에 의하면 제2다공체의 외주부가 제1다공체로 둘러싸인 구성을 용이하게 얻을 수 있다.

또한, 이 제조 방법에 있어서는, 제1다공체가 세라믹스 매트릭스에 의해 규정되는 구멍부뿐만 아니라, 세라믹스 입자간 공극을 가지며, 이 구멍부와 공극에 제2다공체의 출발 원료 용액이 침투하여, 제2다공체가 형성된다. 그 때문에, 최종적으로 얻어지는 제2다공체는 더욱 높은 앵커 효과를 발휘하여, 더욱 강하게 제1다공체에 결합한다.

이 제조 방법에 있어서는, 제1다공체를, 제2성형 금형 내에, 제2성형 금형의 저면과 이 오목부가 대향하도록 배치하는 것이 바람직하다. 즉, 제1성형체의 오목부가 제2성형 금형의 저면과 함께 밀폐된 공간을 형성하는 것이 바람직하다. 그렇게 제1다공체를 제2성형 금형에 배치하여, 제2다공체의 출발 원료 용액을 제1다공체에 함침시킴으로써, 여분인 부분에 제2다공체가 형성되는 것을 방지할 수 있다.

이 제조 방법에 있어서의 제1다공체의 형성에 있어서는, 제1성형 금형으로 성형된 겔상 다공질 성형체의 건조를, 이 겔상 다공질 성형체의 측면, 상면 및 하면 중 적어도 1개의 면에서 제1성형 금형을 개방해서 실시하는 것이 바람직하다. 그것으로부터, 겔상 다공질 성형체의 건조를 더욱 효율적으로 실시할 수 있다. 이 건조 방법은, 복합 구조의 음향 정합체를 얻는 경우뿐만 아니라, 단층 구조의 음향 정합체(즉, 제1요지에서 제공되는 음향 정합체)를 제조할 경우에도 바람직하게 적용된다.

또한, 제1성형 금형을 개방하는 것은, 제1성형 금형의 금형벽을 미끄럼 이동시킴으로써 실시하는 것이 바람직하다. 성형 금형의 금형벽을 미끄럼 이동시키는 방법에 의하면, 건조 공정에 있어서, 겔상 다공질 성형체가 변형되는 것을 효과적으로 억제할 수 있고, 또한, 겔상 다공질 성형체의 표면을 손상하는 일 없이 노출시킬 수 있다.

복합 구조의 음향 정합체의 제조 방법에 있어서, 제1다공체에 형성되는 오목부는, 제1성형 금형에 함기포 세라믹스 슬러리를 흘려 넣은 후에 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 함기포 세라믹스 슬러리를, 오목부를 형성하기 위한 볼록부를 갖지 않은 제1성형 금형 내에 흘려 넣고 나서, 오목부를 형성하는 데에 필요한 형압(型押) 등을 실시하는 것이 바람직하다. 이렇게 함기포 세라믹스 슬러리를 될 수 있는 한 평면 상태의 제1성형체에 흘려 넣고 나서 오목부를 형성하면, 오목부에서 기체의 잔류가 생기기 어렵게 된다.

복합 구조의 음향 정합체의 제조 방법에 있어서, 제1다공체의 형성에 이용하는 제1성형 금형으로서, 겔상 다공질 성형체의 적어도 1개의 표면과 접촉하는 부분이 수지로서 이루어지는 성형 금형을 이용하는 것이 바람직하다. 겔상 다공질 성형체와 접하는 면의 수지의 재료를 적절히 선택함으로써, 겔상 다공질 성형체의 표면 상태를 변화시킬 수 있다. 겔상 다공질 성형체와 접하는 면이 수지로서 이루어지는 성형 금형을 이용하는 것은, 복합 구조의 음향 정합체를 얻는 경우뿐만 아니라, 단층 구조의 음향 정합체(즉, 제1요지에서 제공되는 음향 정합체)를 제조할 경우에도 바람직하게 적용된다.

복합 구조의 음향 정합체의 제조 방법에 있어서, 제1다공체의 형성에 이용하는 제1성형 금형으로서, 겔상 다공질 성형체의 적어도 1개의 표면과 접촉하는 부분이 금속으로 이루어지는 성형 금형을 이용하는 것이 바람직하다. 겔상 다공질 성형체와 접하는 면을 금속으로 함으로써, 겔상 다공질 성형체의 표면에 구멍부(함기포 세라믹스 슬러리의 기포)가 존재하기 어려워져, 치밀한 표면층을 형성할 수 있다. 겔상 다공질 성형체와 접하는 면이 금속으로서 이루어지는 성형 금형을 이용하는 것은, 복합 구조의 음향 정합체를 얻는 경우뿐만 아니라, 단층 구조의 음향 정합체(즉, 제1요지에서 제공되는 음향 정합체)를 제조할 경우에도 바람직하게 적용된다.

본 발명은, 제5요지에 있어서, 압전체 및 음향 정합층을 포함하고, 상기 단층 구조의 음향 정합체(즉, 제1요지에서 제공되는 음향 정합체) 또는 상기 복층 구조의 음향 정합체(즉, 제2요지에서 제공되는 음향 정합체)가 음향 정합층인 초음파 센서를 제공한다. 이 초음파 센서는, 본 발명의 음향 정합체를 포함함으로써, 초음파를 양호하고 또한 확실하게 송수신할 수 있는 것으로 된다.

본 발명은, 제6요지에 있어서, 압전체 및 음향 정합층을 포함하고, 음향 정합층이 상기 단층 구조의 음향 정합체(즉, 제1요지에서 제공되는 음향 정합체) 또는 상기 복층 구조의 음향 정합체(즉, 제2요지에서 제공되는 음향 정합체)인, 초음파 송수신 장치를 제공한다. 이 초음파 송수신 장치는, 본 발명의 음향 정합체를 포함함으로써, 초음파를 양호하고 또한 확실하게 송수신할 수 있는 것으로 된다.

(발명의 효과)

본 발명의 음향 정합체는 세라믹스 매트릭스에 의해 규정되는 구멍부와 세라믹스 매트릭스에 형성된 입자간 공극을 갖는 것을 특징으로 한다. 이 음향 정합체는, 무기 재료를 주원료로 하므로, 온도에 의한 특성 변화가 수지와 비교해서 작고, 이것을 음향 정합층으로서 초음파 센서에 조립한 경우, 초음파 센서는 양호한 온도 특성을 나타낸다(즉, 온도에 의한 성능 변화가 작다). 또한, 이 세라믹스 다공체는, 그 밀도 및 공극율(空隙率)을 용이하게 조정할 수 있으므로, 본 발명의 음향 정합체는 그것들을 조정함으로써, 소정의 초음파 센서에 조립하는 데 최적인 특성을 갖도록 구성할 수 있다. 또한, 본 발명의 복합 구조의 음향 정합체는, 세라믹스 다공체와 무기 산화물의 다공체를 조합함으로써, 기체와의 음향 정합이 더욱 개선된다. 따라서, 그러한 복합 구조의 음향 정합체를 초음파 센서의 초음파 정합층으로서 조합함으로써, 초음파의 송수신 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이 초음파 센서를 이용한 초음파 송수신 장치를, 예를 들면, 기체 유량 측정 장치로서 사용하면, 주 신호와 노이즈 신호와의 비율을 저감할 수 있고, 그 장치의 계측 정밀도를 높일 수 있는 동시에, 수신 신호의 증폭도를 저감하는 것이 가능하게 되므로, 회로를 간소화하는 것 등이 가능하게 된다.

도 1의 (a)는 본 발명의 제1실시형태의 음향 정합체를 구성하는 세라믹스 다공체의 단면을 나타내는 현미경 사진이며, (b)는 본 발명의 제1실시형태의 음향 정합체를 구성하는 세라믹스 다공체의 단면을 나타내는 모식도.

도 2의 (a)는 본 발명의 제1실시형태의 음향 정합체를 구성하는 세라믹스 다 공체의 단면을 확대해서 나타내는 현미경 사진이며, (b)는 본 발명의 제1실시형태의 음향 정합체를 구성하는 세라믹스 다공체의 단면을 확대해서 나타내는 모식도.

도 3은 본 발명의 제1실시형태의 음향 정합체의 제조 방법을 나타내는 공정도.

도 4는 본 발명의 제1실시형태의 음향 정합체를 모식적으로 나타내는 단면도.

도 5의 (a) 및 (b)는, 각각, 본 발명의 제1실시형태의 음향 정합체를 음향 정합층으로 하는 초음파 센서의 일례(一例)를 모식적으로 나타내는 단면도.

도 6의 (a)는 본 발명의 제2실시형태의 음향 정합체를 모식적으로 나타내는 단면도이며, (b)는 본 발명의 제2실시형태의 음향 정합체를 음향 정합층으로 하는 초음파 센서의 일례를 모식적으로 나타내는 단면도.

도 7은 본 발명의 제2실시형태의 음향 정합체를 구성하는 제2다공체의 제조 방법의 일례를 나타내는 공정도.

도 8은 본 발명의 제3실시형태로서, 본 발명의 제2실시형태의 음향 정합체의 제조 방법을 나타내는 모식도.

도 9는 본 발명의 제3실시형태를 따라서 제조되는 음향 정합체의 일부를 모식적으로 나타내는 단면도.

도 10은 본 발명의 제4실시형태인, 본 발명의 음향 정합체를 구성하는 제1다공체를 제조하는 방법에서 실시되는 1공정을 나타내는 모식도.

도 11은 도 10에 나타내는 공정을 실시한 후에 실시되는 공정을 나타내는 모 식도.

도 12는 도 11에 나타내는 공정을 실시한 후에 실시되는 공정을 나타내는 모식도.

도 13은 도 12에 나타내는 공정을 실시한 후에 실시되는 공정을 나타내는 모식도.

도 14는 본 발명의 제5실시형태의 초음파 유량계의 구조를 나타내는 블록도.

도 15는 본 발명의 제5실시형태의 초음파 유량계로 얻어지는 파형도.

도 16은 종래의 초음파 센서를 모식적으로 나타내는 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 세라믹스 다공체 2:세라믹스 매트릭스

3: 구멍부 4: 표층

5: 내층 6: 세라믹스 입자

7: 세라믹스 입자간 공극 17: 진동자

18: 진동자 부착 수단 19: 접착 수단

21: 캡(cap) 22: 단자

23: 도전성 고무 24: 단자

20: 기체 25: 표층

26: 내층 40: 구멍부

41: 세라믹스 매트릭스 42: 제1다공체

43: 제2다공체 44: 음향 정합체

61: 제2성형 금형 62: 용기

63: 오목부 64: 출발 원료 용액

65: 세라믹스 매트릭스 66: 구멍부

70:성형 금형 71: 상면부

72: 안내부 73: 측면부

74: 고정 저면부 75: 이동 저면부

76: 스페이서(spacer) 77: 함기포 세라믹스 슬러리

81: 유로 82: 초음파 센서 A

83: 초음파 센서 B 84: 송신 수단

85: 수신 수단 86: 계시(計時) 수단

87: 전환 수단

88: 초음파 송수신 장치(유량 측정 장치)

89: 연산 수단

본 발명의 실시형태를 도면을 참조해서 설명하지만, 본 발명은 이것들의 실시형태에 한정되는 것이 아닌 점에 유의해야 한다.

(제1실시형태)

본 발명의 제1실시형태로서, 특정한 세라믹스 다공체로 이루어지는 음향 정합체를 설명한다. 도 1에 있어서, (a)는 본 발명의 음향 정합체를 구성하는 세라믹스 다공체의 단면을 나타내는 현미경 사진이며, (b)는 본 발명의 음향 정합체를 구 성하는 세라믹스 다공체의 단면을 나타내는 모식도이다. 도 1에 있어서, 1은 세라믹스 다공체(음향 정합체), 2는 세라믹스 매트릭스, 3은 세라믹스 매트릭스(2)에 의해 규정되는 구멍부, 4는 표층, 5는 내층을 나타낸다. 도 2는 세라믹스 매트릭스(2)의 일부를 확대한 것으로, (a)는 세라믹스 매트릭스의 단면을 확대한 현미경 사진이며, (b)는 세라믹스 매트릭스의 확대 단면을 나타내는 모식도이다. 도 2에 있어서, 6은 세라믹스 입자, 7은 세라믹스 입자간 공극을 나타낸다.

세라믹스 매트릭스(2)는, 공지의 산화물계 혹은 비산화물계의 세라믹스, 또는 점토 광물 등으로 구성된다. 세라믹스 매트릭스는, 이것들의 세라믹스 성분이 단독으로 또는 2종 이상이 조합되어 구성된다. 산화물계 세라믹스로서는, 산화 알루미늄계, 무라이트(murite)계, 및 지르코니아(zirconia)계를 들 수 있고, 비산화물계 세라믹스로서는, 탄화 규소계, 질화 규소계, 질화 알루미늄계, 질화 붕소계, 및 흑연계를 들 수 있다.

세라믹스 매트릭스(2)는, 복수의 구멍부(3)를 규정하는 골격이며, 이 골격의 일부 또는 전부는, 세라믹스 입자에 의해 구성되어 있다. 세라믹스 매트릭스(2)는, 예를 들면 세라믹스 입자(예를 들면, 탄화 규소 입자)가 서로 결합하고 있는 구조를 가지며, 그러한 구조는, 세라믹스 입자가 산소를 통해서 결합함으로써 얻어진다고 생각된다. 여기서, 「세라믹스 입자가 결합하고 있다」라는 것은, 세라믹스 입자간에서 음파가 전파되도록 서로 접촉하고 있는 것을 말한다. 세라믹스 입자는, 일반적으로 소성 공정에서 결합한다. 세라믹스 매트릭스를 구성하는 입자의 평균 입자 직경은, 10㎛ 이하인 것이 바람직하고, 5㎛ 이하인 것이 좀더 바람직하며, 1 ㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0.6㎛ 이하인 것이 가장 바람직하다. 세라믹스 매트릭스를 구성하는 세라믹스 입자의 평균 입자 직경이 10㎛를 초과하면, 후술하는 방법을 따라 음향 정합체를 제조할 때에 슬러리 중에서의 입자의 분산성이 저하하는 일이 있다.

세라믹스 매트릭스(2)에 의해 규정되는 구멍부(3)는, 후술하는 방법을 따라서 음향 정합체를 제조할 때에, 세라믹스 슬러리 중에 발포제에 의해 생성되는 기포에 상당한다. 전술한 바와 같이, 이 구멍부는, 음향 정합체의 단면을 20배 정도로 확대해서 관찰했을 때에 빈 구멍으로서 인식되는 것이다. 이 세라믹스 다공체를 초음파 센서 등에 있어서의 음향 정합층으로서 기능시키기 위해서는, 구멍부(3)의 크기를 적절하게 선택할 필요가 있다. 구체적으로는, 구멍부(3)의 크기는, 이 음향 정합체를 전파하는 초음파의 파장보다도 충분히 작을 필요가 있다.

초음파의 주파수 f를 500kHz, 음향 정합체의 음속 C를 2000m/s라고 하면, 음향 정합체를 전파하는 초음파의 파장 λ는 λ=C/f=4mm=4000㎛이 된다. 이때, 음향 정합체의 구멍부의 크기가 300㎛ 이상이라면, 구멍부(3)의 영향이 초음파 전파에 대하여 크게 되어, 음향 정합체로부터 출력되는 초음파의 에너지가 감소한다. 따라서, 이러한 초음파를 전파시킬 경우에 있어서, 본 발명의 음향 정합체는, 구멍부(3)의 구멍 직경 분포의 중심 값이 300㎛ 이하가 되는 치수로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 일반적인 초음파의 주파수(150kHz∼1500kHz)를 고려하면, 구멍부(3)는, 그 구멍 직경 분포의 중심 값이 100㎛로부터 500㎛의 범위 내에 있는 치수를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 구멍부(3)의 구멍 직경은, 세라믹스 다공체의 단면 사진으로부터, 구멍부의 윤곽의 임의의 2점을 이어나가는 선분 중, 가장 큰 선분을 구멍 직경으로서 결정한다. 구멍부가 복수 개 연결되어 있을 경우에는, 연결되어 있는 각각의 구멍부가 독립한 단면이 원형 또는 단면이 타원형의 구멍부가 되도록 보조 선을 긋고, 보조 선을 그은 후의 구멍부의 구멍 직경을 구한다. 구멍부의 구멍 직경 분포는, 임의의 100∼10000개의 구멍부에 대해서 구멍 직경을 측정함으로써 구하는 것이 바람직하다.

이 음향 정합체에 있어서, 세라믹스 입자(6)의 사이에는 미소한 세라믹스 입자간 공극(7)이 존재한다. 이 공극은, 미시적인 것이며, 그 구멍 직경은 10㎛ 미만이다. 세라믹스 입자(6) 사이는 부분적으로 유리가 개재(介在)해서 결합되어 있어도 좋고, 혹은 세라믹스 입자(6) 사이는 유리가 개재하는 일 없이 결합되어 있어도 좋다.

이러한 구멍부(3)와 세라믹스 입자간 공극(7)을 갖는 세라믹스 다공체(1)는, 약 0.4∼0.8g/cm³의 밀도를 가지며, 음속 C가 2000m/s∼ 약 3000m/s 정도가 되므로, 음향 정합체로서 기능을 할 수 있다. 이 세라믹스 다공체(1)는, 구멍부(3)와 세라믹스 입자간 공극(7)을 맞춘 빈 구멍 비율이, 바람직하게는 60vol％ 이상이며, 더욱 바람직하게는 90vol％ 이상이다.

도시한 세라믹스 다공체(1)는, 표층(4) 및 이것에 연속하고 있는 내층(5)을 갖는다. 표층(4)은, 구멍부(3)가 형성되어 있지 않은, 또는 구멍부(3)의 비율이 내층(5)과 비교해서 작은, 치밀한 층이며, 평활한 표면을 부여한다. 표층(4)은, 바람 직하게는 내층의 밀도의 2.5배 이상 8.5배 이하의 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 표층(4)은, 바람직하게는 10∼30㎛ 정도의 두께를 갖는다. 표층(4)의 두께가 30㎛을 초과하면, 표층(4)이 초음파 전파에 끼치는 영향이 커진다. 또한, 표층(4)의 두께를 10㎛보다도 작게 하는 것은 일반적으로 곤란하다. 표층(4)과 내층(5)을 갖는 음향 정합체는, 후술하는 바와 같이, 초음파 센서 등에 있어서, 표층(4)이 기체 측에 배치되어도 좋다. 표층(4)은 밀도는 높지만 얇기 때문에, 음향 임피던스에는 큰 영향을 부여하지 않지만, 기체 측에 배치되면 기체를 평활한 표면에서 누르는 것으로 되기 때문에, 효율적으로 초음파를 기체(20)에 전파할 수 있다. 혹은 표층(4)은, 진동자 부착 부재(즉, 용기)와 면하도록 배치되어도 좋다. 그 경우에, 구멍부가 없거나 또는 적은 표층(4)은, 접착제가 음향 정합체(1) 내부에 침투하는 것을 효과적으로 방지한다.

또한, 음향 정합체로서 기능을 시키기 위해서, 세라믹스 다공체(1)는, 세라믹스 입자간의 결합이 충분히 강한 것을 필요로 한다. 세라믹스 입자간의 결합이 약한 세라믹스 다공체(1)에 있어서는 초음파가 전달되기 어렵게 되고, 또한, 다공체가 취약하게 된다.

상술한 바와 같은 치수를 갖는 구멍부(3) 및 세라믹스 입자간 공극(7)이 형성되고, 또한 세라믹스 입자간의 결합이 충분히 강한 세라믹스 다공체는, 예를 들면, 난소결성의 세라믹스 분말을 갖는 함기포 세라믹스 슬러리를 겔화해서 얻은 겔상 다공질 성형체를, 건조, 탈지, 및 소성 공정을 거침으로써 제조된다. 그 제조 방법을 도 3을 참조해서 설명한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 음향 정합체의 제조 방법은, 혼합 슬러리의 소성(단계 11), 함기포 슬러리의 조제(調製)(단계 12), 성형 공정(단계 13), 건조 공정(단계 14), 탈지·소성 공정(단계 15), 및 절단 공정(단계 16)으로 대별된다. 각각의 공정에서 구체적으로 실시되는 공정을, 도면 중 오른쪽에 플로 차트로서 기재하고 있다. 또한, 각각의 공정에서 사용되는 재료를 도면 중 한복판의 열(列)에 기재하고 있다.

단계 11은, 투입 재료인 세라믹스 분말(예를 들면, 탄화 규소와 유리), 및 물(필요에 따라서 유기 용제가 혼합됨)을, 예를 들면, 볼 밀(ball mill)로 혼합 및 분쇄해서 혼합 슬러리를 제작하는 혼합·분쇄 공정과, 얻은 혼합 슬러리를 탈포(脫泡)하는 탈포 공정을 포함한다. 세라믹스 분말은 적어도 1종류의 난소결성의 세라믹스 분말을 갖는다. 난소결성의 세라믹스 분말은, 예를 들면 탄화 규소이다. 난소결성의 세라믹스는, 바람직하게는 세라믹스 분말 전체의 80vol％를 점유하고, 더욱 바람직하게는 90vol％를 점유하며, 제일 바람직하게는 100vol％를 점유한다. 난소결성의 세라믹스의 비율이 커질수록, 후의 소성 공정에 있어서, 체적 변화를 작게 할 수 있고, 또한 휨이 발생하기 어렵다. 분쇄는, 입자의 크기가 갖추어지도록 실시된다. 탈포는 질소가 충전된 글러브 박스(glove box) 속에서 실행한다. 그 때문에, 탈포 공정 이전에, 탈기·질소 치환 공정이 실시된다.

단계 12는, 질소 분위기 중에서 혼합 슬러리에 계면 활성제(기포제) 및 겔화제를 첨가해서 교반기로 혼합하는 포립(泡立) 공정(foaming step)이다. 이 공정에 있어서, 계면 활성제의 종류, 세라믹스 분말의 종류, 교반기 속도, 교반 시간 및 온도는, 함기포(즉, 세라믹스 다공체에 있어서 세라믹스 매트릭스에 의해 규정되는 구멍부)의 크기 및 분포를 결정하는 파라미터가 된다. 따라서, 원하는 구멍부가 얻어지도록 이것들의 파라미터를 적절하게 선택할 필요가 있다. 이 공정은, 다공(多孔) 구조를 결정하는 중요한 공정이다.

단계 13은, 얻은 함기포 세라믹스 슬러리를, 임의 형상의 성형 금형에 옮기고, 겔화 시켜서, 겔상 다공질 성형체를 형성하는 공정이다. 겔화는, 밀폐된 성형 금형에서 슬러리를 몇십 분간 방치함으로써 진행한다. 성형 금형은, 예를 들면, 직경 10∼20mm 정도, 특히 10.8mm의 원통형이 좋다.

단계 14는, 겔상 다공질 성형체를 금형으로부터 꺼내고, 수분 및 일부의 유기분을 제거하기 위해서 실시하는 공정이다. 겔상 다공질 성형체는 손으로 집을 수 있을 만큼 견고(고화(固化)되어 있음)하므로, 취급이 용이하다. 혹은, 단계 14는, 성형 금형의 금형벽의 일부를 미끄럼 이동시켜서, 겔상 다공질 성형체의 상면, 하면 및 측면 중 적어도 1개의 면을 노출시킴으로써 실시해도 좋다. 그것에 의해, 성형 금형으로부터 겔상 다공질 성형체를 꺼낼 필요가 없어지기 때문에, 겔상 다공질 성형체가 손상될 가능성을 작게 할 수 있다.

건조는 겔상 다공질 성형체에 함유되어 있는 기포가 분해, 이동 및 집합 등을 하지 않도록 실시하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 20℃ 이상 30℃ 이하의 온도에서, 48시간 이상의 시간을 들여서 천천히 겔상 다공질 성형체를 건조시키는 것이 바람직하다.

단계 15는, 건조된 다공질 성형체에 포함되어 있는 여분인 유기분을 제거하 기 위해서 필요한 온도로 가열하는 탈지 공정과, 세라믹스 분말을 결합시켜서 매트릭스를 형성하기 위해, 고온으로 소성을 실시하는 소성 공정을 포함한다. 구체적으로는, 탈지 온도 및 시간은, 사용한 유기분의 종류 및 양에 따라서 결정되며, 예를 들면, 겔화제를 소실시키기 위해서, 400∼700℃에서, 24∼48시간의 처리를 실시하면 좋다. 소성 온도는 사용하는 세라믹스 분말(즉, 유리 또는 난소결성의 세라믹스 분말)에 따라서 결정된다. 예를 들면, 세라믹스 분말로서, 탄화 규소 및 그것보다도 융점이 낮은 유리를 이용할 경우에는, 소성은, 예를 들면 800℃ 정도로 실행된다. 소성 시간은, 예를 들면, 12∼48시간으로 하면 좋다. 탄화 규소와 유리를 포함하는 세라믹스 분말을 사용할 경우, 이 소성 공정에 있어서, 일부의 탄화 규소 입자가 유리를 통해서 서로 결합하는 것이 되고, 대부분의 탄화 규소 입자는 산소를 통해서 서로 결합하게 되는 것으로 생각된다. 또한, 세라믹스 분말로서, 탄화 규소만을 사용하면 좋으며, 그 경우에는, 소성 온도를 900℃∼1350℃로 하고, 소성 시간은, 예를 들면, 12∼48시간으로 하면 좋다.

단계 16은, 얻은 소성체(세라믹스 다공체)를, 그것이 음향 정합체로서 기능을 하는 데에 필요한 치수로 절삭하는 공정이다. 음향 정합체의 최적인 두께 t는, 세라믹스 다공체의 음속을 C, 초음파의 주파수를 f로 하고, t=C/(4f)의 식으로 구해진다. 따라서, 예를 들면, 얻어지는 세라믹스 다공체의 음속 C가 약 2000m/s에서, 사용하는 초음파의 주파수 f가 500kHz인 경우에는, t=1mm가 되도록 절삭 가공하는 것이 바람직하다.

도 1에 나타내는 바와 같은, 하나의 세라믹스 다공체에 있어서, 표층(4) 및 내층(5)을 갖는 구조는, 도 3에 나타내는 단계 12의 함기포 세라믹스 슬러리의 조제 공정에 포함되는 포립 공정 및 단계 13의 성형 공정으로, 기포를 경사 배향시키는 방법에 의해 형성할 수 있다. 기포를 경사 배향시키는 것은, 구체적으로는, 단계 11에 있어서, 혼합 슬러리의 고형분 비율 또는 점도를 조정함으로써 실시된다.

혹은, 더욱 간편한 것은, 단계 13의 성형 공정에 있어서, 함기포 슬러리와 접촉하는 부분(즉, 고화 후의 겔상 다공질 성형체의 적어도 1개의 표면과 접촉하는 면)이, 특정한 수지 또는 금속으로 이루어지는 성형 금형을 이용하면, 성형 금형과의 계면에서 세라믹스 슬러리에 기포가 존재할 수 없게 된다. 이 기포가 존재할 수 없는 부분이 표층(4)으로서 형성된다. 수지로서, 예를 들면, PET 수지를 선택하면, 치밀한 표층(4)을 형성할 수 있다. 금속으로서는, 예를 들면, 스테인리스를 선택할 수 있다. 함기포 슬러리가 금속 면과 접촉함으로써 형성되는 표층은, 수지의 면과 접촉함으로써 형성되는 표층보다도 두터워지는 경향이 있다. 또한, 성형 금형의 표면이, 예를 들면, 테플론(등록 상표)으로 이루어질 경우에는, 그것과 접하는 겔상 다공질의 표면은 치밀한 표층을 형성하지 않고, 구멍부를 갖는 면이 형성되기 쉽게 된다.

이렇게 해서 제조되는 세라믹스 다공체는, 그 구멍 직경 분포의 중심 값이 100㎛로부터 500㎛의 범위 내에 있는 것과 같은 구멍부(3)를 가지며, 빈 구멍 비율이 약 60vol％ 이상이며, 부피 밀도가 약 0.4g/cm³∼0.8g/cm³인 구조체가 된다. 또한, 세라믹스 다공체에 있어서는, 구멍부(3)가 복수 개 연결하여, 연통 구멍을 형 성하고 있다. 이 구조체에 있어서의 음속은, 전술한 바와 같이 약 2000m/s∼ 약 3000m/s 정도가 되므로, 이 구조체는 음향 정합층으로서 사용 가능하다.

도 4에, 본 발명의 음향 정합체를 모식적으로 단면도로서 나타낸다. 도 4는, 직경 10.8mm의 원주 형상의 음향 정합체로서, 두께가 약 1mm∼ 약 1.5mm가 되도록 가공된 음향 정합체를 나타낸다. 도 4에 있어서는, 표층을 갖지 않는 형태를 나타내고 있지만, 도 1에 나타내는 바와 같은 표층이 한쪽의 주 표면(두께에 수직한 표면)에 형성되어 있어도 좋다. 표층은 양쪽의 주 표면에 형성되어도 좋지만, 그 경우에는, 도 13의 단계 15를 실시한 후에 얻어지는 성형체의 두께가, 원하는 두께를 갖는 것이 필요하다. 절삭에 의해 주 표면을 연마해서 원하는 두께를 얻으려 하면, 한쪽의 표층을 깎아내어야 하기 때문이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 표층이 어느 쪽의 표면에도 위치하지 않는 것과 같은 구조체를 얻는 경우에는, 성형 금형의 노출 표면을 구성하는 재료를 적절히 선택함으로써, 표층이 형성되지 않도록 해도 좋다. 혹은 소성 후의 세라믹스 다공체에 형성된 소정의 두께로 할 때에 표층을 깎아내도 좋다.

도 5(a) 및 (b)에, 이렇게 해서 제조되는 세라믹스 다공체의 음향 정합체를 이용한 초음파 센서의 단면도를 나타낸다. 도 5(a) 및 (b)에 있어서, 1은 세라믹스 다공체(음향 정합층)를, 17은 진동자를, 18은 진동자 부착 부재를, 19는 접착 수단을, 20은 기체를 나타낸다. 도시한 세라믹스 다공체(1)는, 표층(25) 및 내층(26)을 갖는 구조이다. 도 5(a)는 표층(25)이 기체 측에 배치된 초음파 센서를 나타내고, 도 5(b)는 표층(25)이 접착 수단(19)과 접하도록 배치된 초음파 센서를 나타낸다.

접착 수단은, 예를 들면, 에폭시 접착제이다. 진동자 부착 부재(18)는 금속으로서 이루어지고, 캡(cap)(21)을 부착함으로써, 진동자(17)가 밀폐 공간에 배치되도록 하고 있다.

캡(21)은 금속으로 이루어지고, 이것에 단자(22)가 부착됨으로써, 진동자(17)의 상하에 설치되어 있는 진동자 전극의 위쪽 전극과 이 단자(22)가 전기적으로 접속된 상태가 된다. 또한, 진동자(17)의 아래쪽의 전극은, 도전성 고무(23)를 통해서 다른 쪽의 단자(24)에 전기적으로 접속되어 있다. 단자(24)는 캡(21)으로부터 절연되어 있다.

단자(22, 24)에 초음파 신호 발생 장치로부터의 전기 신호가 인가됨으로써, 진동자(17)가 세로 진동을 일으키고, 그 진동이 세라믹스 다공체(음향 정합층)(1)에 전해진다. 세라믹스 다공체(음향 정합층)(1)는 진동자(17)보다도 큰 진폭으로 진동하고, 그 진동이 기체(20)에 효율적으로 전해지게 된다.

세라믹스 다공체(음향 정합층)(1)는 표층(25)과 내층(26)으로 구분할 수 있는 구성을 갖는다. 도 1을 참조해서 설명한 바와 같이, 표층(25)은 내층(26)에 비교해서 치밀한 구조로서, 지극히 구멍부가 작던가, 또는 구멍부가 존재하지 않는 층이다. 표층(25)의 두께는 10∼30㎛ 정도이다. 표층(25)과 내층(26)을 갖는 세라믹스 다공체의 제조 방법은 먼저 도 3을 참조해서 설명한 대로이기 때문에, 여기서는 그 설명을 생략한다.

세라믹스 다공체(음향 정합층)(1)와 진동자 부착 부재(18)와의 접합에는, 접착 수단(19), 예를 들면, 에폭시의 접착제가 이용된다. 세라믹스 다공체(음향 정합 층)(1)의 접착 면에 구멍부가 존재할 경우, 에폭시의 접착제가 침투해 접착 편차가 생기는 일이 있다. 접착 편차가 생기면, 동일한 규격의 초음파 센서에 있어서, 초음파 출력에 변동이 생긴다고 하는 부적합이 있다. 이와 같은 부적합을 피하기 위해서는, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 표층(25)의 표면을 진동자 부착 부재(18)와의 접합 면으로 하면 좋다.

(제2실시형태)

도 6(a)에 본 발명의 제2실시형태로서, 복합 구조의 음향 정합체를 나타내고, 도 6(b)에 이 음향 정합체를 음향 정합층으로 하는 초음파 센서를 나타낸다. 도 6(a)에 나타내는 음향 정합체(44)는, 직경 10.8mm, 두께 1.8mm의 원반형이며, 상기에서 설명한 세라믹스 다공체를 제1다공체(42)로서 구비하고, 제1다공체(42)에 형성된 오목부에 제2다공체(43)가 충전되어 있는, 복합 구조를 갖는다.

도 6(a)에 있어서, 제1다공체(42)는, 골격이 되는 세라믹스 매트릭스(41)를 가지며, 세라믹스 매트릭스(41)에 의해 구멍부(40)가 규정된 구조체로서 도시되어 있지만, 세라믹스 매트릭스(41)에 있어서 세라믹스 입자간 공극이 형성되어 있는 것은 도 1을 참조해서 설명한 대로이다. 또한, 세라믹스 다공체(42)는 제1실시형태의 것과 마찬가지로, 난소결성의 세라믹스 분말(예를 들면, 탄화 규소 분말)을 갖는 함기포 세라믹스 슬러리를 겔화해서 얻은 겔상 다공질 성형체를 건조, 탈지, 소성해서 제작된다. 이 제1다공체(42)에 있어서는, 제1실시형태의 음향 정합체와 마찬가지로, 복수의 구멍부(40)가 연결되어 연통 구멍이 형성된다.

제2다공체(43)는, 제1다공체(42)보다도 밀도가 작고, 음속이 작은 다공체이 다. 제2다공체의 밀도 및 음속을 작게 함으로써, 제2실시형태의 음향 정합체는, 제1실시형태의 음향 정합체보다도 초음파 출력을 증대시킬 수 있다. 구체적으로는, 제2다공체(43)는, 규소와 같은 무기 산화물의 건조 겔인 것이 바람직하다. 이하에, 규소의 건조 겔을 제조하는 방법을 도 7을 참조해서 설명한다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 규소의 건조 겔은, 원료 준비 공정(단계 51), 겔화 공정(단계 52), 밀도 조정 공정(단계 53), 소수화(疎水化) 처리 공정(단계 54), 및 건조 공정(단계 55)으로 대별된다. 도 7에 있어서는, 각각의 공정에서 구체적으로 실시되는 공정을 도면 중 한복판의 열에 플로 차트로서 나타내고 있다. 또한, 각각의 공정에서 투입되는 재료를 도면 중 오른쪽의 열에 나타내고 있다.

단계 51은 주원료인 테트라에톡시실란(tetraethoxysilane)에, 이것을 가수(加水) 분해하기 위한 물, 에탄올, 염산을 가해서 혼합 용액을 조제하는 공정이다.

단계 52는, 준비된 혼합 용액에 암모니아를 첨가해서 겔을 제조하는 공정이다. 이 공정에서는, 규소가 모노머(monomer)로서 중합되어서, 다공질의 겔이 형성된다.

단계 53은, 얻어진 겔의 골격을 증강하고, 임의의 밀도로 하는 공정이다. 이 공정에서는, 테트라에톡시실란, 물, 에탄올, 및 암모니아가 더해지고, 다시 가수 분해 반응을 진행시킴으로써, 겔의 골격이 증강된다. 이 공정에서는 반응 시간 및 온도를 관리함으로써 겔이 원하는 밀도가 되도록 제어된다. 용액을 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)로 치환함으로써, 겔의 골격 증강을 위한 반응이 정지되게 된다.

단계 54는 최종적으로 얻어지는 건조 겔이, 흡습(吸濕)하지 않도록 하기 위한 처리이다. 이 공정에서는, 겔을 실란 커플링 처리액에 투입해서 실란 커플링 반응을 진행시킨 후, 용액을 이소프로필 알코올로 치환해서 실란 커플링 반응을 정지시킨다.

단계 55는 이소프로필 알코올을 증발시켜서, 건조 겔을 얻는 최종 공정이다.

이러한 제조 공정을 경유해서 제조되는 건조 겔은, 나노미터 크기의 기공(氣孔)을 가지며, 밀도가 0.2g/cm³로부터 0.5g/cm³로 조정되고, 그 음속은 300m/s로부터 500m/s가 되므로, 이 건조 겔의 음향 임피던스는, 제1다공체인 세라믹스 다공체의 음향 임피던스보다도 작게 할 수 있다.

제2다공체(43)는, 제1다공체(42)에 형성된 오목부 내에 배치되어 있다. 이렇게, 제2다공체(43)를, 그 바깥쪽 가장자리가 제1다공체(42)와 접하도록 배치함으로써, 제2다공체(43)의 가장자리가 제1다공체(42)에 의해 보호된다. 따라서, 이 복합 구조를 채용함으로써, 제2다공체(43)의 가장자리가 이지러지는 것을 효과적으로 방지할 수 있으므로, 예를 들면, 제2다공체(43)의 표면을 연마해서, 그 두께 D를 용이하게 원하는 두께로 할 수 있다. 제2다공체(43)는, 예를 들면, 규소의 건조 겔로서 이루어질 경우에는, 직경이 약 8mm, 두께가 0.15∼0.4mm가 되는 형상을 갖도록, 직경 약 10.8mm의 제1다공체(42)에 형성된다. 이와 같은 치수의 제2다공체(43)는, 제1다공체(42)에, 상기 직경을 갖는 얕은 오목부를 형성하고, 이 오목부에 제2다공체(43)를 후술하는 방법에 의해 배치한 후, 제1다공체(42)와 제2다공체의 표면을 함께 연마하는 방법에 의해 얻을 수 있다. 이 실시형태의 변형 예에 있어서, 복수의 오목부(예를 들면, 직경이 상이한 복수의 링(ring) 형상의 오목부)를 제1다공체에 형성하고, 제2다공체(43)가 복수 개소에(예를 들면, 직경이 상이한 링 형상에) 배치되도록 해도 좋다.

도 6(b)는, 복합형의 음향 정합층(44)을 이용한 초음파 센서의 구조를 나타낸다. 도 6(b)에 나타내는 초음파 센서는, 도 5(a)에 나타내는 초음파 센서와 동일한 구조를 가지며, 도 5(a)에서 사용되고 있는 부호와 동일한 부호는 동일한 요소 또는 부재를 나타낸다. 도 6(b)에 나타내는 초음파 센서는, 음향 정합층이 복합 구조이며, 제2다공체(43)가 제1다공체(41)보다도 작은 밀도를 갖기 때문에, 제1실시형태의 음향 정합체를 이용한 초음파 센서보다도 초음파 출력을 증대시킬 수 있다.

(제3실시형태)

도 8에, 본 발명의 제3실시형태로서, 복합 구조의 음향 정합체를 제조하는 방법을 모식적으로 나타낸다. 도 8은, 제2다공체를 그 내부에 배치하기 위한 오목부(63)를 형성한 제1다공체(42)를, 오목부(63)를 아래로 해서 성형 금형(61)에 탑재하여, 용기(62)에 수납한 상태를 나타낸다. 여기서 이용되는 성형 금형(61)과, 제1다공체(42)를 형성하기 위해서 사용하는 성형 금형을 구별하기 위해서, 본 명세서에 있어서, 제2성형체를 형성하는 성형 금형을 편의적으로 제2성형 금형이라고 부르고, 제1성형체를 형성하는 성형 금형을 편의적으로 제1성형 금형이라고 부르는 경우가 있다. 따라서, 성형 금형(61)은 제2성형 금형이다. 용기(62)에는, 제2실시형태에 관련해서 설명한, 도 7에 나타나는 단계 51에서 준비된 출발 원료 용액(64) 이 채워져 있다. 이 용액(64)에, 성형 금형(61)을 침지(浸漬)하면, 용액(64)은 세라믹스 다공체인 제1다공체(42)의 연통 구멍에 침투하고, 그 결과, 오목부(63)가 용액(64)으로 채워진다. 이어서, 이 상태인 채로, 도 7에 나타내는 단계 52를 실행한다. 여기서, 제1다공체(42)의 연통 구멍은, 세라믹스 매트릭스에 의해 규정되는 구멍부끼리의 연결, 구멍부와 입자간 공극의 연결, 입자간 공극끼리의 연결에 의해 생성되는, 연속 기포이다.

도 9는 도 8에 나타나는 성형 금형(61)에 탑재된 제1다공체(42)의 일부분을 확대한 것이다. 제1다공체(42)에 형성된 오목부(63)는, 제1다공체(42)의 연통 구멍을 침투한 용액으로 채워지므로, 제1다공체의 연통 구멍 내에도 겔(이 겔은 최종적으로 제2다공체(43)를 형성하는 것이 된다)이 형성된다. 오목부(63)에 형성되는 겔은, 또한, 성형 금형(61)에 접촉하고 있다. 도 9에 있어서는, 세라믹스 매트릭스(65)에 의해 규정되는 구멍부(66)만을 나타내고, 이것들이 형성하는 연통 구멍을 나타내고 있지만, 구멍부(66)와 세라믹스 입자간 공극, 세라믹스 입자간 공극간에도 연통 구멍이 형성되어 있는 것에 유의해야 한다.

이 배치인 채로 단계 53으로서 밀도 조정을 실시하므로, 새롭게 더하여진 테트라에톡시실란, 물, 암모니아, 및 에탄올의 혼합 용액도, 또한, 제1다공체(42)의 구멍부(66)에 형성된 겔을 통과해서 오목부(63)에 생성된 겔에 도달하고, 오목부(63) 및 구멍부(66) 내의 겔의 골격을 증강한다. 그 후, 단계 54까지 이 배치인 채로 실시한다.

각각의 공정에 있어서 사용되는 용액 및 용제는, 제1다공체(42)의 구멍부 (66)에 형성된 겔을 통과해서 오목부(63)까지 도달한다. 즉, 구멍부(66)에 형성된 겔을 통과한 용액 등이, 오목부(63) 내에 형성된 겔의 골격을 증강하고, 혹은 겔에 있어서 진행하고 있는 반응을 정지시킨다. 따라서, 제1다공체(42)의 구멍부(66)가 지나치게 작으면, 용액의 침투가 불충분해져, 오목부(63) 내에 형성된 겔(43)에 도달하기 어려워지는 부적합이 생긴다. 또한, 제1다공체(42)의 구멍부(66)가 지나치게 크면, 초음파의 전파에 지장을 초래한다. 그 때문에, 제1다공체(42)는, 세라믹스 매트릭스에 의해 규정되는 구멍부(66)의 구멍 직경 분포의 중심 값이 100㎛로부터 500㎛의 사이에 있도록 형성하는 것이 바람직하다. 이 제1다공체(42)의 구멍부(66)의 치수 조정은, 제1실시형태에서 설명한 바와 같이, 도 3의 단계 12인, 함기포 슬러리의 조제 공정에서 실시된다.

이렇게, 제2다공체를, 제1다공체인 세라믹스 다공체의 매트릭스에 의해 규정되는 구멍부 등에 의해 형성되는 연통 구멍을 통과하도록 필요한 재료를 함침(含浸)시켜서 형성하는 방법에 의하면, 제1다공체에 형성된 오목부와 성형 금형의 표면이 밀폐된 공간을 형성한 상태에서, 제2다공체를 얻기 위한 건조 공정까지 실시할 수 있다. 그 결과, 제2다공체의 형성 중, 겔에 있어서 균열이 생기기 어렵게 된다. 즉, 도 7의 제조 방법을 따라서 겔 단체(單體)로서 무기 산화물의 겔을 제조할 경우에는, 겔의 표면이 노출된 상태에 있으므로, 겔에 있어서 균열이 들어가기 쉽다고 하는 부적합이 생기기 쉽지만, 이 제조 방법에 의하면, 제2다공체가 되는 부분이 제1다공체에 의해 보호되어서, 응력을 받기 어려우므로, 균열이 들어가지 않도록 할 수 있다. 또한, 제2다공체는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 성형 금형에 접촉 한 상태에서 형성되므로, 그 표면은 성형 금형의 표면이 평활할 경우에는 매우 매끄러운 모양이 된다.

이 제조 방법에 의해 얻어지는 음향 정합체는, 제1다공체의 매트릭스에 의해 규정되는 구멍부 및 매트릭스 중의 세라믹스 입자간 공극의 적어도 일부가 제2다공체에서 충전된 구조를 갖는 것으로 된다. 따라서, 제1다공체는, 제1의 형태로 설명한 음향 정합체보다도 높은 밀도를 갖는 것으로 된다. 복합 구조의 음향 정합체에 있어서, 제1다공체는, 그 음향 임피던스가, 제2다공체의 음향 임피던스와 진동자의 음향 임피던스 사이에 있는 것이 바람직하기 때문에, 제1다공체는 단체로 음향 정합체로서 사용할 경우보다도 큰 밀도를 갖는 것을 필요로 하는 경우도 있다. 그러한 경우에는, 제2다공체의 충전에 의해 제1다공체의 부피 밀도가 상승하는 것은, 초음파 전파에 적합한 복합 구조의 음향 정합체를 구성한다고 하는 관점에서는 오히려 바람직하다. 혹은 또한, 제1다공체인 세라믹스 다공체의 밀도는, 그 빈 구멍 비율을 조절함으로써 용이하게 조정할 수 있기 때문에, 제2다공체의 종류 등에 따라서 원하는 음향 임피던스를 갖도록, 제1다공체를 제조하는 것은 용이하다.

(제4실시형태)

도 10으로부터 도 13에, 본 발명의 제4실시형태로서, 복합 구조의 음향 정합체의 제1다공체를 제조하는 방법을 모식적으로 나타내고 있다. 이것들의 도면은, 난소결성의 세라믹스 분말을 갖는 함기포 슬러리를 겔화해서 겔상 다공질 성형체를 제조하는 공정 및 이 공정을 실시하기 위해서 이용되는 성형 금형(즉, 제1성형 금형)을 나타내고 있다. 도 10에 나타내는 성형 금형(70)은, 금형벽으로 되는 상면부 (71), 측면부(73), 이동 저면부(75), 및 고정 저면부(74), 및 안내부(72) 및 스페이서(76)로서 구성된다.

우선, 측면부(73), 고정 저면부(74) 및 이동 저면부(75)로 둘러싸인 부분에 함기포 세라믹스 슬러리(77)를 붓는다. 이때, 이동 저면부(75)가 스페이서(76)에 의해 상승되어서, 저면부(74)와 저면부(75)는 면이 하나로 되어 있다. 따라서, 중심부로부터 서서히 함기포 세라믹스 슬러리(77)를 쏟아 부으면, 성형 금형 내의 구석구석까지 슬러리가 널리 퍼지고, 기체가 잔류하는 일 없이, 측면부(73), 고정 저면부(74) 및 이동 저면부(75)로 둘러싸인 부분을 채운다. 이 상태로부터, 도 11에 나타낸 바와 같이 스페이서(76)를 제거하면, 측면부(73)와 이동 저면부(75)가 아래쪽으로 미끄럼 이동하고, 그것에 의해, 고정 저면부(74)가 세라믹스 슬러리에 밀어 넣어지고, 그것에 의해 제2다공체를 형성하기 위한 원형의 오목부가 형성된다. 이동 저면부(75)와 고정 저면부(74)와의 사이에는 그리스를 칠해, 외부에서 기체가 침입하기 어렵게 하는 것이 더욱 바람직하다.

함기포 세라믹스 슬러리는, 측면부(73) 및 이동 저면부(75)가 미끄럼 이동함으로써, 매우 올라간 상태가 된다. 이 매우 올라간 슬러리(77)는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 상면부(71)가 아래쪽으로 이동해서 잉여량을 금형 내로부터 밀어냄으로써 제거되어 평탄하게 된다. 이 상태에서, 함기포 세라믹스 슬러리(77)를 겔화한다. 겔화가 종료된 후, 도 11에 나타낸 바와 같이 측면부(73)를 위쪽으로 미끄럼 이동시켜서, 겔상 다공질 성형체의 측면을 개방 상태로 한다. 그것에 의해, 겔상 다공질 성형체에 포함되는 수분이 증발하기 쉽게 되어, 건조 시간이 단축된다. 또 한, 측면부(73)를 위쪽으로 미끄럼 이동시켜서 겔상 다공질 성형체의 표면을 노출시킴으로써, 겔의 표면을 손상하는 일 없이, 겔을 건조시킬 수 있다.

겔상 다공질 성형체가 완전히 건조된 후는, 상면부(71)를 위쪽으로 이동시키고, 건조된 겔상 다공질 성형체(77)를 꺼낸다. 이 후, 겔상 다공질 성형체를 소성해서 세라믹스 다공체를 얻을 수 있다. 이 세라믹스 다공체는, 예를 들면, 직경이 10.8mm, 두께가 1.8mm의 원반형이 되도록 형성된다. 세라믹스 다공체가, 함기포 슬러리 중의 기포 부분이 소성 후에 연통 구멍을 형성하는 것은, 먼저 설명한 바와 같다. 이렇게 해서 얻어지는 세라믹스 다공체는, 도 6(a)에 나타내는 복합 구조의 음향 정합체에 있어서, 제1다공체(42)를 형성하는 것이 된다.

도 13에 있어서, 상면부(71)와 접촉하는 제1다공체의 면은, 도 6(b)로 나타나는 초음파 센서의 진동자 부착 부재(18)에 접착제로 접합되는 면이 된다. 따라서, 이 면에 구멍부가 존재하면, 초음파 센서를 조립할 때에 접착제가 침투한다고 하는 부적합이 생기는 일이 있다. 이와 같은 부적합을 피하기 위해서, 전술한 바와 같이, 상면부(71)의 제1다공체와 접하는 면을, 예를 들면, PET 수지 또는 금속으로 이루어지는 면으로 함으로써, 성형 금형과 함기포 슬러리와의 계면에서 기포가 존재하기 어려워지고, 그것에 의해 구멍부가 존재하지 않는, 또는 적은, 치밀하게 얇은 표층을 형성할 수 있다. 이 표층은, 전술한 바와 같이 치밀한 표면을 부여해서 접착제의 침투를 방지하고, 확실한 접착을 가져온다.

전술한 바와 같이, 성형 금형의 표면이 테플론(등록 상표)으로 이루어질 경우에는, 치밀한 표층이 형성되지 않고, 구멍부를 갖는 면이 형성되기 쉽다. 따라 서, 고정 저면부(74), 이동 저면부(75), 및 측면부(73)를 테플론(등록 상표)으로 형성하면, 함기포 세라믹스 슬러리의 겔화 과정에 있어서, 그것들과 접하는 면에 있어서는 구멍부가 존재하는 것으로 된다. 표면에 구멍부를 갖는 세라믹스 다공체를 제1다공체로서 사용하면, 전술한 도 8에 나타내는 제조 방법으로 제2다공체를 형성할 수 있다. 즉, 상면부(77)가 PET 수지 또는 금속으로 이루어지고, 그 밖의 부분이 테플론(등록 상표)으로 이루어지는 성형 금형을 사용하면, 제1다공체(42)의 제2다공체가 위치하지 않는 면은, 구멍부가 적은 치밀한 면이 되고, 측면과 저면은 구멍부가 존재하는 면으로 된다. 따라서, 도 8에 나타내는 제조 방법에 의해 제2다공체를 형성할 경우, 용액(64)은 제1다공체(42)의 측면의 구멍부를 통과하여, 오목부 및 구멍부 내에서 겔화되며, 도 8에 있어서, 제2성형 금형과 접하지 않는 제1다공체의 표면은 초음파 센서를 조립할 때에 접합면으로서 사용할 수 있다.

(제5실시형태)

본 발명의 제5실시형태로서, 본 발명의 음향 정합체를 갖는 초음파 센서를 포함하는 초음파 송수신 장치를, 도 14를 참조해서 설명한다. 도 14는, 본 발명의 초음파 송수신 장치를, 기체의 유량을 측정하는 유량 측정 장치(88)에 짜 넣은 상태를 나타내는, 회로 블록도이다. 기체가 흐르는 유로(81)에 초음파 센서 A(82)와, 초음파 센서 B(83)가 배치된다. 초음파 센서(A, B)는, 초음파의 전파로(傳播路)가 기체의 유로와 각도 Φ를 이루도록 배치되어 있다. 초음파 센서 A(82) 및 초음파 센서 B(83)에는, 송신 수단(84)으로부터 송신 신호가 보내진다. 또한, 초음파 센서의 수신 신호는 수신 수단(85)에 전해진다. 송신과 수신은 전환 수단(87)에서 선택 된다. 전환 수단(87)에서 초음파 센서 A(82)를 송신 수단(84)에 접속하는 것을 선택하면, 초음파 센서 B(83)는 수신 수단(85)에 접속된다.

도 14에 나타나는 바와 같이, 기체가 도면에서 왼쪽으로부터 오른쪽을 향하는 방향으로 흐르면, 초음파 센서 A(82)가 송신한 초음파는, 전파 시간 T1 후에 초음파 센서 B(83)에 도달한다. 반대로 초음파 센서 B(83)가 송신한 초음파는, 전파 시간 T2 후에 초음파 센서 A(82)에 도달한다. 이때, 기체 흐름의 방향이 왼쪽으로부터 오른쪽이기 때문에, T1 <T2가 된다. 이것들의 시간 T1, T2는 계시 수단(86)에 의해 계측된다. 이 시간은 기체의 유속과 관련된다. 또한, 기체의 유량은, 유속과 유로 단면적으로부터 산출할 수 있으므로, 시간 T1, T2로부터 유속을 앎으로써, 유량이 구해진다. 연산 수단(89)은, 계시 수단(86)으로부터의 데이터에 근거해서 유량을 구한다.

도 15는, 초음파 센서의 송신 신호와 수신 신호의 파형을 나타낸 파형도이다. 도 15에 있어서는, 초음파 센서 A(82)가 초음파를 송신하고, 초음파 센서 B(83)가 초음파를 수신할 때의, 초음파 센서 A에의 송신 신호가 a-1에서 나타나고, 초음파 센서 B(83)의 수신 신호가 a-2에서 나타나고 있다. 또한, 도 15에 있어서는, 초음파 센서 B(83)가 초음파를 송신하고, 초음파 센서 A(82)가 초음파를 수신할 때의, 초음파 센서 B에의 송신 신호가 b-1에서 나타나고, 초음파 센서 A(82)의 수신 신호가 b-2에서 나타나고 있다.

수신 수단(85)은 수신 신호를 증폭한다. 이것 때문에, 제2실시형태와 같은 복합 구조의 음향 정합층을 이용해서 초음파 센서를 조립하면, 큰 수신 신호를 얻 을 수 있으므로, 증폭 회로 수단을 소규모의 것으로 할 수 있다. 초음파 센서의 수신 신호를 주 신호라고 부르고, 이것에 대하여 증폭 회로 수단에서 발생하는 불필요 신호 및 외부에서 침입하는 불필요 신호를 노이즈라고 부를 경우, 큰 주 신호가 얻어질수록, 증폭도를 저감할 수 있는 동시에, 증폭 회로 수단에 의한 노이즈도 저감할 수 있다. 또한, 외부로부터의 노이즈에 대한 주 신호의 비율이 커지므로, 외관상, 노이즈의 영향을 받기 어렵게 된다. 이것들은 계측 정밀도의 향상으로 연결된다.

수신 신호의 최초의 파는 작으므로 검출이 어렵다. 이것 때문에, 수신 수단(85)은, 예를 들면, 제3파의 P1 및 P2의 포인트를 비교 회로(comparator)에 의한 회로 수단으로 검출하고 있다. 이것 때문에, 온도에 의해 파형이 변화되면, 계측 오차가 증대한다. 그래서, 초음파 센서 A 및 B의 음향 정합층을, 무기물로 구성하면, 무기물은 온도에 의해 그 음향 특성이 변화되기 어려우므로, 파형에 끼치는 영향이 적어지고, 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다. 본 발명의 음향 정합체는, 무기물인 세라믹스 다공체를 포함하기 때문에, 온도에 의한 파형 변형이 억제되어, 계측 정밀도의 향상에 기여한다.

또한, 제2실시형태로서 설명한 복합 형태의 음향 정합체는, 제2다공체로서 무기 산화물의 건조 겔을 사용하고, 이것의 원료가 되는 혼합 용액을 제1다공체인 세라믹스 다공체에 함침시켜서 건조 겔을 제조하는 방법에 의해, 제2다공체가 제1다공체의 세라믹스 매트릭스로 규정되는 구멍부와, 세라믹스 매트릭스 중에 형성되는 세라믹스 입자간 공극에 충전된 구조체로서 얻어진다. 이와 같은 구조체에 있어 서는, 구멍부 및 세라믹스 입자간 공극의 양쪽에 충전된 제2다공체가 앵커 효과를 발휘하여, 제2다공체와 제1다공체와의 사이에서 높은 결합 강도를 얻을 수 있다. 그 때문에, 큰 송신 신호를 송신 수단(84)으로부터 초음파 센서에 부여하고, 음향 정합체를 큰 진폭으로 진동시켜도 제1다공체와 제2다공체와의 사이에서 박리가 생기지 않는다. 따라서, 본 발명의 초음파 송수신 장치는, 특히 복합 형태의 음향 정합층으로 사용한 경우에는, 송신 신호를 크게 해서 수신 신호를 크게 할 수 있고, 그것에 의해 계측 정밀도를 높게 할 수 있다. 또한, 복합 형태의 음향 정합층에 있어서는, 제2다공체가 양호한 음향 정합을 가져오는 동시에, 제1다공체가 수신되는 신호의 파형을 결정하고, 특정 포인트(도 15에 있어서의 P1, P2)의 계측에 유리한 큰 진폭의 신호를 형성한다. 따라서, 본 발명의 복합 형태의 음향 정합층은, 전체로서 음향 정합 및 파형 성형의 양쪽에 있어서 우수한 것으로 된다.

이상과 같이, 본 발명에 관련한 음향 정합체는 기체와 진동자와의 음향 임피던스의 정합을 취하고, 초음파 발생 장치로부터의 초음파 출력을 향상시키는 것, 및 기체를 전파하는 초음파를 수신하는 초음파 수신 장치의 수신 출력을 향상시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명의 음향 정합체는, 천연 가스 및 액화 석유 가스의 유량을 측정하는 업무용 및 가정용의 초음파식 가스 유량 측정 장치(예를 들면, 가스 미터), 및 수소와 같이 음속이 크고, 진동자와의 음향 임피던스의 정합을 취하기 어려운 가스의 유량을 측정하는 초음파식의 유량 측정 장치에 사용하는 데 적합하다.

Claims (22)

1. 세라믹스 다공체(多孔體)를 포함하는 음향 정합체(整合體)로서, 이 세라믹스 다공체가,

   세라믹스 매트릭스를 구성하는 세라믹스 입자를 포함하고,

   이 세라믹스 매트릭스가 복수의 구멍부를 규정하고,

   이 세라믹스 매트릭스에 있어서, 세라믹스 입자간 공극(空隙)이 형성되어 있는, 음향 정합체.
2. 제1항에 있어서, 상기 구멍부가, 그 구멍 직경 분포의 중심 값이 100㎛로부터 500㎛의 범위 내에 있는, 음향 정합체.
3. 제1항에 있어서, 상기 세라믹스 다공체가, 표층과, 이 표층에 연속하는 내층을 구비하고, 이 표층의 밀도는 이 내층의 밀도보다도 큰, 음향 정합체.
4. 제1항에 있어서, 상기 세라믹스 매트릭스가 난소결성(難燒結性)의 세라믹스를 포함하는, 음향 정합체.
5. 제1다공체 및 제2다공체를 포함하는 음향 정합체로서,

   이 제1다공체가,

   세라믹스 매트릭스를 구성하는 세라믹스 입자를 포함하고,

   이 세라믹스 매트릭스가 복수의 구멍부를 규정하고,

   이 세라믹스 매트릭스에 있어서, 세라믹스 입자간 공극이 형성되어 있는, 세라믹스 다공체이며,

   제2다공체가, 이 제1다공체보다도 밀도가 작고 음속이 작은 다공체인, 음향 정합체.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1다공체에 있어서, 상기 구멍부가, 그 구멍 직경 분포의 중심 값이 100㎛로부터 500㎛의 범위 내에 있는 치수를 갖는, 음향 정합체.
7. 제5항에 있어서, 상기 제2다공체는 무기 산화물의 건조 겔(gel)인 음향 정합체.
8. 제5항에 있어서, 상기 제2다공체는, 상기 제1다공체에 의해 그 외주부(外周部)가 둘러싸여 있는, 음향 정합체.
9. 제5항에 있어서, 제2다공체가, 상기 제1다공체의 구멍부 및 세라믹스 입자간 공극의 일부 또는 전부를 충전하고 있는, 음향 정합체.
10. 제5항에 있어서, 상기 세라믹스 매트릭스가, 난소결성의 세라믹스를 포함하 는, 음향 정합체.
11. 난소결성의 세라믹스 분말을 적어도 1종류 갖는 함기포(含氣泡) 세라믹스 슬러리를 성형 금형 내에서 겔화해서 겔상 다공질 성형체를 얻는 것,

    겔상 다공질 성형체를 건조 및 탈지하는 것, 및

    겔상 다공질 성형체를 소성(燒成)하는 것을 포함하는, 음향 정합체의 제조 방법.
12. 난소결성의 세라믹스 분말을 적어도 1종류 갖는 함기포 세라믹스 슬러리를 제1성형 금형 내에서 겔화해서 하나 또는 복수의 오목부를 갖는 겔상 다공질 성형체를 얻는 것,

    겔상 다공질 성형체를 건조 및 탈지하는 것, 및

    겔상 다공질 성형체를 소성하는 것을 포함하는 방법에 의해, 제1다공체를 형성하는 것, 및

    제1다공체를, 제2성형 금형 내에 배치하는 것,

    이 제2성형 금형 내에 제2다공체의 출발 원료 용액을 넣어, 제1다공체에 이 출발 원료 용액을 함침(含浸)시키는 것,

    이 출발 원료 용액을 고체화하는 것을 포함하는 방법에 의해, 이 오목부에 제2다공체를 형성하는 것을 포함하는, 음향 정합체의 제조 방법.
13. 제12항에 있어서, 제1다공체를, 제2성형 금형 내에, 제2성형 금형의 저면(底面)과 그 오목부가 대향하도록 배치하는, 음향 정합체의 제조 방법.
14. 제12항에 있어서, 제1다공체의 형성에 있어서, 제1성형 금형에서 성형된 겔상 다공질 성형체의 건조를, 이 겔상 다공질 성형체의 측면, 상면 및 하면 중 적어도 1개의 면에서 제1성형 금형을 개방해서 실시하는, 음향 정합체의 제조 방법.
15. 제14항에 있어서, 제1성형 금형을 개방하는 것을, 제1성형 금형의 금형벽을 미끄럼 이동시킴으로써 실시하는, 음향 정합체의 제조 방법.
16. 제12항에 있어서, 상기 제1다공체의 형성에 있어서, 상기 오목부를, 상기 제1성형 금형에 함기포 세라믹스 슬러리를 흘려 넣은 후에 형성하는, 음향 정합체의 제조 방법.
17. 제12항에 있어서, 제1다공체의 형성에 있어서, 제1성형 금형으로서, 겔상 다공질 성형체의 적어도 1개의 표면과 접촉하는 부분이 수지(樹脂)로서 이루어지는 성형 금형을 이용하는, 음향 정합체의 제조 방법.
18. 제12항에 있어서, 제1다공체의 형성에 있어서, 제1성형 금형으로서, 겔상 다공질 성형체의 적어도 1개의 표면과 접촉하는 부분이 금속으로 이루어지는 성형 금 형을 이용하는, 음향 정합체의 제조 방법.
19. 압전체(壓電體) 및 음향 정합층을 포함하고, 음향 정합층이 제1항에 기재한 음향 정합체로서 이루어지는, 초음파 센서.
20. 압전체 및 음향 정합층을 포함하고, 음향 정합층이 제5항에 기재한 음향 정합체로서 이루어지는, 초음파 센서.
21. 제19항에 기재한 초음파 센서를 포함하는, 초음파 송수신 장치.
22. 제20항에 기재한 초음파 센서를 포함하는, 초음파 송수신 장치.

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