JP2005252772A - 整合部材の製造方法および超音波センサ並びに超音波センサを用いた流体の流れ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中空球体と結合材料の混合物からなる整合部材において、所定湿度環境を保持することにより中空球体を偏在なく均一に充填させ、整合部材内の密度分布の均一性向上を図ったものである。
【解決手段】所定湿度条件の下で、台座３に整合部材作成治具５を設けると共に、この整合部材作成治具５に中空球体１１を収納した収納体４を装着し、この状態で台座３を受台１０に落下衝突させてこのとき生じる振動によって中空球体１１の充填度を高める。この後、結合材料１３を混入して硬化させる。これによって、収納体４中の中空球体１１は凝集や偏在することなく充填されているので整合部材１８の密度は均一なのものになり、これを音響整合層として超音波センサに用いればその性能向上が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響整合層として用いられる整合部材の製造方法およびそれを用いた超音波センサ並びにこの超音波センサを利用した気体や液体の流体の流れ測定装置に関するものである。

従来、超音波センサなどに用いられる音響整合層の製造方法は、例えば、図７（ａ）に示すように中空球体２９と樹脂３０の混合物からなる整合部材３１と筒状部材からなる負荷ケース３２とを一対成型し、次いで、図７（ｂ）のように圧電体の共振周波数の１／４波長に相当する厚みにカットして音響整合層３３を製造していた。

この音響整合層３３は、図７（ｃ）に示すように、圧電振動子３４に載置して超音波センサとしていた（特許文献１参照）。

また、ガラスバルーンと樹脂の混合体による整合部材については、圧電体からの発生する超音波の波長よりも小さい粒径の気泡を樹脂に混入するものが開示されていた（特許文献２参照）。
特公平６−１０１８８０号公報 特開平１１−２１５５９４号公報

しかし、この従来の製造方法では、中空球体を充填する作業環境の湿度条件により、中空球体の充填量が異なり、製造する整合部材、音響整合層の密度が安定しない。つまり、所定範囲以上の湿度条件では中空球体が吸湿するため、中空球体の表面同士が凝集してしまい、均一に分散されて充填されない。

このため、図７（ｂ）のように整合部材を所定の厚みにカットした音響整合層群はそれぞれ１枚ごと中空球体と樹脂の比率が異なるために密度が不均一な音響整合層が作成されてしまう課題があった。

また、所定範囲以下の湿度条件では、中空球体の流動性は著しく高くなり、その高い流動性のために所定体積容器に中空球体を充填する際、粒径の小さい中空球体が所定体積容器の底面に集中するため、所定容器体積内で中空球体の粒径分布が異なる充填になる。

これも、上述のように整合部材を所定の厚みにカットして得た音響整合層ごとに中空球体と樹脂の比率が異なる要因となり、不均一な密度に作成されてしまう課題があった。

このように音響整合層ごとに密度が異なると、一定の音響インピーダンスを得ることができない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、密度のばらつきを低減できる製造方法を提供するもので、超音波センサ並びに同超音波センサを搭載した流れ測定装置の高精度化けを図ったものである。

前記従来の課題を解決するために本発明は、所定湿度範囲の作業環境内で収納体を加振することにより前記収納体内部に中空球体を充填し、次いで前記中空球体に結合材料を混合させることで整合部材を製造するようにしたもので、収納体に中空球体が均一に分散されて充填されることとなり、密度を均一とすることができる。

本発明の整合部材の製造方法は、中空球体の充填を均一に分散充填を行うことができるために密度安定な整合部材並びに音響整合層を製造することができる。そして整合部材、さらにはこの整合部材を音響整合層として用いた超音波センサの性能を高めることができ、この超音波センサを搭載した流体の流れ測定装置としても著しくその精度を高めることができる。

第１の発明は、所定湿度範囲の作業環境内で収納体を加振することにより前記収納体内部に中空球体を充填し、次いで前記中空球体に結合材料を混合させることで、前記中空球体を結合材料で包囲することにより、中空球体の充填作業が最適な湿度範囲で行われ、中空球体同士の凝集や、収納体中の粒径分布が異なることがなくなるため、中空球体が偏在せず、整合部材の密度を均一にできる。

第２の発明は、結合材料は熱硬化性樹脂化合物であることにより、中空球体と混合しやすく、且つ混合後加熱により樹脂が硬化するので、中空球体表面に密着して硬化されて整合部材を作成することができる。

第３の発明は、中空球体に結合材料を混合させた後、この混合物を硬化させることにより、収納体中に中空球体と結合材料混合物を作成することができ、さらにその混合物を取り出さずに混合物を内包した収納体ごと加熱するので、所定容積の整合部材を作成できる。加えて、加熱硬化後であるので、収納体から容易に整合部材を取り出すことができる。

第４の発明は、中空球体はガラス組成を含むことにより、中空状態を保持したまま結合材料との混合による整合部材を作成することができるので、整合部材周囲温度が変化しても内部の中空球体の中空状態は保持され、これにより密度の安定化に寄与することが出来る。

第５の発明は、上記製造方法で作成した整合部材を音響整合層として備えた超音波センサとすることにより、特性ばらつきを抑えることができる。

第６の発明は、超音波センサを、天部と側壁部を有する筒状ケースと、前記天部の内壁面に固定された圧電体と、前記天部外壁面に接着層を介して設置され、前記製造方法により作成した音響整合層から構成することにより、圧電体からの振動を音響整合層が効率よく気体中に音波として伝搬させることができる。

第７の発明は、前記超音波センサを流体の流れ方向に少なくとも一対配置し、前記超音波センサ間の超音波伝搬時間にもとづき流体の速度およびまたは流量を検知するようにした流体の流れ測定装置とすることにより、流体の速度およびまたは流量を瞬時に測定することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１において、矩形の基盤１の四隅より立設した４本のガイド柱２は台座３を上下動自在に支持している。

前記台座３に収納体４をもつ整合部材作成治具５が取着されており、さらにここの収納体４には円形の収納室６が形成されている。

前記台座３はロック装置７を介してガイド柱２の所定高さ位置にロックされており、可撓性チューブ８を経由して圧縮空気を送ると、このロック装置７が解除され、自重などで落下するようにしてある。圧縮空気の流動を制御し、ロック装置７を操作するのがスイッチ９である。台座３の落下位置には基盤１に固定され、受台１０がある。

図２も参照して整合部材の製造方法を示す。

収納体４の収納室６にはガラスの中空球体１１が収納してある。中空球体１１はそれぞれ１０〜１００ｕｍの粒径を有し、平均粒径は約６０ｕｍである。真密度は約０．１４から０．１８ｇ／ｃｍ^３である。

ガラスの中空球体１１は他の充填剤と比較して比重が軽く、耐熱性、耐衝撃性を有し、充填材として使用したときの充填物の寸法安定性、成型性などの物性を改良できる。

使用したガラスの組成はホウケイ酸系ガラスである。このガラス中空体は、酸化珪素、硼酸、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム等の原料を１０００℃以上の高温で溶融して硫黄分を多含するガラスを形成させた後、ガラスを粉砕後、このガラス微粉末を火炎中に分散、滞留させることにより、硫黄分を発泡剤成分として発泡させて作成している。

前記中空球体１１を収納体４の収納室６に少量づつ投入し、その都度、収納体４を取着した整合部材作成治具５の台座３を受け台１０に落下させる。その結果、落下衝撃振動により中空球体１１が収納室６に充填される仕組みである。この工程を数回〜数十回繰り返しながら、収納室６に中空球体１１を満たしていく。

ここで、ガラス中空体からなる中空球体１１はその外部壁面が表面改質材の被覆層を形成しているので、その流動性は高い。

このように中空球体１１を充填した収納体４の収納室６には図２（ａ）に示すように上下フィルター１２を設置した後、結合材料１３を供給して含浸させる。

ここで、結合材料１３としては熱硬化性樹脂化合物であるエポキシ樹脂を用いた。エポキシ樹脂は硬化後の樹脂の形状変化が小さく、長期安定性に優れているためであり、何より、中空球体１１表面との親和性が高いので、同中空球体１１と結合力が安定的に向上する。

使用したエポキシ樹脂は、２液硬化型のエポキシ樹脂である。主剤はビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂であり、硬化剤は、テトラヒドロメチル無水フタル酸である。主剤と硬化剤を最適混合比率で混合してエポキシ樹脂として用いた。比重は約１．０〜１．２ｇ／ｃｍ^３である。

しかし、ここでは特に２液硬化型のエポキシ樹脂にこだわるものではなく、目的が達せられれば１液硬化型のエポキシ樹脂を用いても差し支えない。

結合材料１３を含浸させるために図２（ｂ）に示すように、吸引口１４を設けた吸引用治具１５を設置する。図２（ｂ）に示す吸引用治具１５の吸引口１４は１つしか設けられていないが、吸引口１４は１つに限らず複数口を設けても差し支えない。

収納体４の収納室６に中空球体１１を充填した整合部材作成治具５をエポキシ樹脂からなる結合材料１３でみたした容器１６内に設置する。収納室６の下側に設置するフィルター１２はその中の中空球体１１が漏れないようにするためであり、上側に設けるフィルター１２は結合材料１３を吸引したとき、中空球体１１を一緒に吸引しないためである。ここではフィルター１２にろ紙を用いた。なお、先に述べたフィルター１２の目的を達成していれば材質にはこだわらない。

そして、図２（ｂ）に示すように吸引用治具１５の吸引口１４から容器１６内の結合材料１３を真空ポンプ１７により吸引する。このように、低圧雰囲気下にすることにより、中空球体１１間に存在した空隙の気泡が抜け去り、変わって結合材料１３がその間を埋めていく。これにより、収納室６内の中空球体１１周囲に結合材料１３が塗布される状態になる。

なお、結合材料１３を吸引するときには、雰囲気や整合層作成治具治具５を結合材料１３が硬化しない温度、且つ結合材料１３の粘度が低くなる温度にしておくことが望ましく、こうすれば、結合材料１３の吸引を効率よく実施することができる。

結合材料１３としてエポキシ樹脂を使用した場合、その硬化条件は、室温から昇温させて８０℃×２ｈ後、１２０℃×２ｈを経て１５０℃×１ｈの硬化プロファイルを実施するので、エポキシ樹脂のゲル化温度より低い温度の６０℃中で吸引した。

このように中空球体１１が充填された収納室６内に結合材料１３を含浸させた後、図２（ｃ）のごとく中空球体１１と結合材料１３の混合物を含む収納体４を取り出したあと、この収納体４ごと加熱して、結合材料１３を加熱硬化させる。

この硬化した混合物を室温まで冷却し、図２（ｄ）のごとく棒状治具等を用いて収納体４より取り出して、整合部材１８を得る。

図２に示す収納体４の収納室６は１個しか存在しないが、図３に示すように多数個の収納室６を設ければ、一度に多数個の整合部材１７をとりだすことができる。

次に、図２（ｅ）に示すように、この整合部材１８をダイシング装置などにより所定厚みに切断して目的の音響整合層１９を得る。

本実施例において、ガラスの中空球体１１を収納体４の収納室６に充填する工程と収納体６を包含する整合部材作成治具５を加振する工程では、湿度範囲を所定範囲内で実施した。

中空球体１１を収納する工程について湿度条件を変化させて実施した。設定した湿度条件は、２０％以上３０％ＲＨ未満、３０以上４０％ＲＨ未満、４０％以上５０％ＲＨ未満、５０％以上６０％ＲＨ未満、６０％以上７０％ＲＨ未満である。

以上のように、湿度環境を変化させて中空球体１１を充填して加振工程を経て長さ約５０ｍｍ、直径約１０．８０ｍｍの整合部材１８を作成した。この整合部材１８ダイシング装置により所定の厚みに切断して音響整合層１９を２８枚得た。

音響整合層１９は厚み約１．１５ｍｍである。湿度環境を変化させて作成した音響整合層１９の２８枚について、図４に示すように中空球体１１を投入した面をＮＯ．１と付け、以降整合部材１８の下部に移るに従って順次、ＮＯ．２，３・・・と番号を付加してＮＯ．２８まで付加する。その番号各々の音響整合層１９の密度変化を測定したグラフを図５に示す。

図５に示すように、湿度環境を変化させる中で作成される音響整合層１９の密度分布が異なる。

湿度条件２０％以上３０％ＲＨ未満の保持条件の場合、整合部材１８が下部に移るに従って、音響整合層１９密度が増加している。これは、ガラスの中空体１１の流動性が非常に高いために、加振中に粒径分布の小さい中空球体１１が収納室６に移動したために、中空部分の小さい中空球体１１が密集したために、中空球体１１の中でガラス自体の密度が占める割合が大きくなり、音響整合層全体の密度高くなったためである。

湿度３０％以上４０％ＲＨ未満や湿度４０％以上５０％ＲＨ未満の保持条件の場合、整合部材１８から作成される音響整合層１９の密度分布は、密度範囲を０．５０（ｇ／ｃｍ３）以上０．５３（ｇ／ｃｍ^３）以下を所定範囲と定めれば、その所定範囲内に収まっている。

湿度５０％以上６０％ＲＨ未満の保持条件の場合、音響整合層１９密度は選択する場所によって、密度が大きくなったり、小さくなったりする。これは、ガラス中空球体１１を充填する作業環境が高湿度であるために、中空球体１１が凝集して固まった状態で充填されてしまう。

これは、加振工程でもこの凝集は解消されない。このために、作成された整合部材１８内部で中空球体１１と結合材料１３の組成割合が異なり、中空球体１１が凝集により密集しているところは整合層密度が小さくなり、中空球体１１がの凝集した部分を除いた層状には結合材料１３が集中しやすいために、その部分の音響整合層１９の密度は高くなる。結合材料１３の密度は、エポキシ樹脂で約１．１〜１．２であるので、中空球体１１の真密度０．１４〜０．１８間よりはるかに大きい。

図５には示していないが、湿度６０％以上７０％ＲＨ未満の保持条件では、ガラスの中空球体１１の吸湿が大きく、凝集が著しかったので、収納室６に充填が他の湿度条件と明らかにことなり、さらに作成された整合部材１８にはいたる所に巣のような物ができていた。これは、高湿度のため中空球体１１表面に水分が残留し、結合材料１３を加熱硬化する際の水分の蒸発後が形成されたためである。

以上のように、中空球体１１を充填する際に最適湿度条件に保持することで、所定範囲の密度均一な整合層を得ることができる。

なお、本実施の形態１の加振装置は図１に示すような中空球体１１を充填する収納体４を含む整合部材作成治具５を台座３に積載して台座３ごと所定高さから落下させ、受台１０に当ててその衝撃加速度により中空球体１１を充填する方法であったが、中空球体１１を充填する方法はこの方法に固執するものではない。

例えば、収納体４を所定周波数と所定振幅により縦振動やまた横振動を付与する振動装置より充填する方法で、最適湿度条件を保持した環境内では中空球体１１は均等に充填され、密度安定な音響整合層１９を得ることができることはもちろんである。

（実施の形態２）
図６は、上記実施の形態１により得た音響整合層１９を使用した超音波センサを示し、導電性材料製の筒状のケース２０には天部２１があり、その天部２１の内壁面に圧電体２２が、外壁面に音響整合層１９がそれぞれ接着されている。

筒状ケース２０の下方開放部は一方の端子２３を接続した端子板２４で閉塞されている。

他方の端子２５は電気絶縁材料２６を介して端子板２４を貫通し、圧電体２２の下面に接触する導電体２７に接続されている。圧電体２２には複数の縦溝２８が形成してある。

端子２３、２５から導電体２７を介して圧電体２２に電圧が加わると、この圧電体２２は圧電現象により振動する。図６の圧電体２２は約５００ＫＨｚで振動し、その振動はケース２０から整合層１９に伝わり整合層１９の振動が気体に音波として伝搬する。

従来による製造方法で作成した音響整合層は、内部の中空球体の分散が一定でないので、圧電体からケースを介して伝搬される振動の波長が音響整合層内部でずれ、これより測定流体中での振動波の強め合いが弱まり、超音波センサとしての送受信感度が低下してしまう。

これに対して、本実施形態の音響整合層１９は、内部の中空球体が均一に分散されて密度が安定なため、振動の波長が音響整合層内部で位相をずらせることがなく、測定流体中に振動波を安定的に発振させることができ、超音波センサの送受信感度特性を低下させることなく維持することができる。

さらに前記超音波センサは、流体の流れ測定装置に用いられる。すなわち、流路の流体流れ方向上流側と下流側に少なくとも一対の超音波センサを配置し、一方の超音波センサから送信された超音波が他方の超音波センサに受信されるまでの時間、すなわち超音波伝搬時間を検知して、それから流体の流速を測定できるようにすることができる。

また、前記流速に基づき流路の断面積などの要素を絡めて演算することで流量の測定も可能である。

そして、先述したように、超音波センサが高性能であるために、流速およびまたは流量の計測が高精度に行えるものである。

以上のように、本発明にかかる整合部材の製造方法によれば、均一密度で製造することができ、この整合部材を音響整合層として用いた超音波センサの性能を向上し、さらには、この超音波センサを搭載した流体の流れ測定装置としても著しくその精度を高めることが可能となるので、気体や液体の流体流れ測定装置等の用途に適用できる。

（ａ）本発明の実施の形態１におけ整合部材製造装置の非動作時の正面図、（ｂ）中空球体を充填するための収納体の上面図、（ｃ）本発明の実施の形態１における整合部材製造装置の動作時の正面図 製造工程図 （ａ）本発明の他の実施の形態を示す整合部材作成治具の斜視図、（ｂ）同収納体の斜視図 整合部材から作成される整合層の番号付与を示す正面図 湿度環境変化による整合層密度分布を示すグラフ 本発明整合層を用いた超音波センサの断面図 従来の整合部材の製造工程図

符号の説明

３ 台座
４ 収納体
５ 整合部材作成治具
６ 収納室
１０ 受台
１１ 中空球体
１３ 結合材料
１９ 音響整合層
２０ 筒状ケース
２１ 天部
２２ 圧電体

Claims (7)

1. 所定湿度範囲の作業環境内で収納体を加振することにより前記収納体内部に中空球体を充填し、次いで、前記中空球体に結合材料を混合させることで前記中空球体を結合材料で包囲することを特徴とする整合部材の製造方法。
2. 結合材料は熱硬化性樹脂化合物である請求項１記載の整合部材の製造方法。
3. 中空球体に結合材料を混合させた後、この混合物を硬化させるようにした請求項１または２記載の整合部材の製造方法。
4. 中空球体はガラス組成を含む請求項１記載の整合部材の製造方法。
5. 請求項１から５のいずれか１項記載の製造方法で作成した整合部材を音響整合層として備えた超音波センサ。
6. 天部と側壁部を有する筒状ケースと、前記天部の内壁面に固定された圧電体と、前記天部外壁面に接着層を介して設置された音響整合層からなる請求項６記載の超音波センサ。
7. 請求項６または７記載の超音波センサを流体の流れ方向に少なくとも一対配置し、前記超音波センサ間の超音波伝搬時間にもとづき流体の速度およびまたは流量を検知するようにした流体の流れ測定装置。

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