JP2008261732A - Ultrasonic transmitting/receiving device and ultrasonic current flow meter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は超音波送受波器およびそれを用いて発生させた超音波により気体や液体の流量や流速の計測を行う超音流速流量計に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic transducer and an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate and flow velocity of gas and liquid using ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer.
従来この種の超音波送受波器にあっては、例えば図７に示すように、圧電振動子を備え、超音波を送信または受信する超音波送受波器に組み込むための音響整合部材５０であって、空隙５１を有する骨格材料５２からなる多孔質体５３と、被測定流体側表面の少なくとも一部に前記多孔質体の空隙率よりも低い空隙率の低空隙率層５４、もしくは前記多孔質体の表面および内部の少なくとも一部にバインダ拡散層を形成する。音響整合体として用いられる従来の多孔質体に比較して表面が平面に近いため、超音波の送受信を効率よく行うことができる（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、前記の従来構成では、多孔質体の性質上、吸湿しやすく、輸送時などに温度変化が生じた時とか、或いは高温高湿下に放置されると結露し、これを吸湿することによって超音波の反射や拡散を生起し、また、音響整合体の音速が変化することによって出力感度が低下することがあった。したがって、この音響整合体を備えた超音波送受波器を流れ計測装置に搭載した場合、流速、流量の計測精度が低下してしまう課題を有していた。また、多孔質体は、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、その密度を小さくすると、強度が弱くなり、輸送時などに多孔質体の一部が欠けたり、発塵して、他の機器に悪影響を与える心配があった。 However, in the above-mentioned conventional configuration, due to the nature of the porous body, it is easy to absorb moisture, and when the temperature changes during transportation or the like, or when left in a high temperature and high humidity state, dew is formed and moisture is absorbed. In some cases, the output sensitivity is lowered due to the reflection and diffusion of ultrasonic waves and the change in the sound speed of the acoustic matching body. Therefore, when an ultrasonic transducer equipped with this acoustic matching body is mounted on a flow measurement device, the measurement accuracy of flow velocity and flow rate is reduced. In addition, in order to make the porous body transmit and receive ultrasonic waves more efficiently, when the density is reduced, the strength is weakened, and a part of the porous body is chipped or dusted during transportation, etc. I was worried that other devices would be adversely affected.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、吸湿しやすいセラミック多孔体に化学的蒸着処理を施すことにより、高感度でかつ吸湿による影響を受けない高性能な超音波送受波器およびそれを用いた超音流速流量計を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides a high-sensitivity ultrasonic transducer that is highly sensitive and unaffected by moisture absorption by subjecting a ceramic porous body that easily absorbs moisture to chemical vapor deposition. An object of the present invention is to provide a supersonic flow rate meter using the.
上記課題を解決するため本発明の超音波送受波器は、有天状のケースと、前記ケースの有天部内側に密着するように配設した圧電体と、前記ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した音響整合体とを備え、前記音響整合体は、複数の細孔を有するセラミック多孔体に前記ケースの有天部外側の密着面と反対面に音響膜を形成するとともに、セラミック多孔体で形成された音響整合体の側壁に封止手段を設け、該セラミック多孔体の細孔を前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で密封した構成としてある。 In order to solve the above problems, an ultrasonic transducer according to the present invention includes a celestial case, a piezoelectric body disposed so as to be in close contact with the inside of the celestial part of the case, and an outer side of the celestial part of the case. An acoustic matching body disposed so as to be in close contact with the joining means, and the acoustic matching body includes a ceramic porous body having a plurality of pores and an acoustic film on a surface opposite to the adhesion surface outside the heavend portion of the case. In addition, the sealing means is provided on the side wall of the acoustic matching body formed of the ceramic porous body, and the pores of the ceramic porous body are sealed by the acoustic membrane, the joining means, and the sealing means.
上記した構成により、セラミック多孔体で形成された音響整合体の細孔を前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で密封してあるので、性質上吸湿しやすいセラミック多孔体で形成された音響整合体の表面が露出しなくなり、温度変化、或いは高温高湿下に放置されても音響整合体の吸湿が抑制され、良好な出力感度を維持できることとなる。また、セラミック多孔体で形成された音響整合体が前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で保護されるため、セラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵する心配もなくなる。 With the configuration described above, the pores of the acoustic matching body formed of a ceramic porous body are sealed with the acoustic membrane, the joining means, and the sealing means, so that the acoustic matching body is formed of a ceramic porous body that easily absorbs moisture. The surface of the acoustic matching body is not exposed, and even if the acoustic matching body is left under a temperature change or high temperature and high humidity, moisture absorption of the acoustic matching body is suppressed, and good output sensitivity can be maintained. In addition, since the acoustic matching body formed of the ceramic porous body is protected by the acoustic film, the joining means, and the sealing means, a part of the acoustic matching body formed of the ceramic porous body may be chipped or generate dust. There is no need to worry.
本発明によれば、温度変化、或いは高温高湿下に放置に伴う音響整合体の吸湿を抑制し
て音響整合体の出力感度を容易に維持でき、かつ、セラミック多孔体で形成された音響整合体を保護することができ、これを流れ計測装置に用いれば計測精度の向上が図れるものである。
According to the present invention, it is possible to easily maintain the output sensitivity of the acoustic matching body by suppressing the temperature change or the moisture absorption of the acoustic matching body when left under high temperature and high humidity, and the acoustic matching formed by the ceramic porous body. The body can be protected, and if this is used for a flow measuring device, the measurement accuracy can be improved.
第１の発明による超音波送受波器は、有天状のケースと、前記ケースの有天部内側に密着するように配設した圧電体と、前記ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した音響整合体とを備え、前記音響整合体は、複数の細孔を有するセラミック多孔体で形成された音響整合体に前記ケースの有天部外側の密着面と反対面に音響膜を形成するとともに、セラミック多孔体で形成された音響整合体の側壁に封止手段を設け、該セラミック多孔体で形成された音響整合体の細孔を前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で密封した構成としてある。 An ultrasonic transducer according to a first aspect of the present invention includes a celestial case, a piezoelectric body disposed so as to be in close contact with the inside of the celestial portion of the case, and an outer surface of the case with a bonding means. The acoustic matching body is disposed on the surface opposite to the contact surface on the outside of the cased portion of the case with the acoustic matching body formed of a ceramic porous body having a plurality of pores. In addition to forming the acoustic film, a sealing means is provided on the side wall of the acoustic matching body formed of the ceramic porous body, and the pores of the acoustic matching body formed of the ceramic porous body include the acoustic film, the joining means, and the The structure is sealed with a sealing means.
そして、セラミック多孔体で形成された音響整合体の細孔を前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で密封してあるので、性質上吸湿しやすいセラミック多孔体で形成された音響整合体の表面が露出しなくなり、温度変化、或いは高温高湿下に放置されても音響整合体の吸湿が抑制され、良好な出力感度を維持できることとなる。また、セラミック多孔体で形成された音響整合体が前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で保護されるため、セラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵する心配もなくなる。 Since the pores of the acoustic matching body formed of the ceramic porous body are sealed by the acoustic film, the joining means, and the sealing means, the acoustic matching body formed of a ceramic porous body that easily absorbs moisture in nature. Therefore, even if the surface of the acoustic matching body is left under a temperature change or high temperature and high humidity, moisture absorption of the acoustic matching body is suppressed, and good output sensitivity can be maintained. In addition, since the acoustic matching body formed of the ceramic porous body is protected by the acoustic film, the joining means, and the sealing means, a part of the acoustic matching body formed of the ceramic porous body may be chipped or generate dust. There is no need to worry.
さらに、ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した音響整合体の周囲に封止手段を配設してあるので、圧電体の振動をケースを介して音響整合体に伝達する際に生じるケースの残響を制振することができるようになり、測定精度の向上が図れる。 Furthermore, since the sealing means is disposed around the acoustic matching body disposed so as to be in close contact with the outside of the cased portion by the joining means, the vibration of the piezoelectric body is transmitted to the acoustic matching body through the case. In this case, the reverberation of the case that occurs can be suppressed, and the measurement accuracy can be improved.
第２の発明による超音波送受波器は、特に、第１の発明の音響整合体を形成するセラミック多孔体で形成された音響整合体は、気泡導入された酸化物系セラミック材料からなるスラリーあるいはアクリルボール等の多孔化材を添加した酸化物系セラミック材料からなるスラリー中にモノマーを溶解させ成形用型内に注入するゲルキャスティング法で成形したものを焼成して造られるセラミック多孔体を所定の形状にスライスして構成してある。 In the ultrasonic transducer according to the second invention, in particular, the acoustic matching body formed of the ceramic porous body forming the acoustic matching body of the first invention is a slurry comprising an oxide-based ceramic material into which bubbles are introduced. A ceramic porous body made by firing a gel casting method in which a monomer is dissolved in a slurry made of an oxide ceramic material to which a porous material such as an acrylic ball is added and injected into a molding die Sliced into shapes.
そして、ゲルキャスティング法で成形したセラミック多孔体は、スラリー中のモノマーがラジカル重合することより、型内でポリマーのネットワークが形成され、ゲル湿潤成形体となるため、スラリーの流動過程と固化過程が完全に分離し、粒子がその場で固定されることにより、セラミック多孔体中の不均一や欠陥が発生しにくく、一般的な加圧成形や鋳込み成形に対し約１０倍以上の強度を得ることができるとともに、均一の組織となり、密度ばらつきも小さいため、複雑な形状でも対応でき、軽くて強度も高くすることができる。したがって、組立時などにセラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵して、他の機器に悪影響を与える心配が少なくなり、セラミック多孔体で形成された音響整合体を、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、その密度を小さくすることができるようになる。 The ceramic porous body molded by the gel casting method forms a polymer wet network by forming a polymer network in the mold due to radical polymerization of the monomers in the slurry. By completely separating and fixing the particles in-situ, non-uniformity and defects in the ceramic porous body are unlikely to occur, and the strength is about 10 times or more that of general pressure molding or casting. In addition, since it has a uniform structure and small variations in density, it can handle even complex shapes, and can be light and high in strength. Therefore, there is less concern that the acoustic matching body formed of the ceramic porous body is partially chipped or dusted during assembly or the like and adversely affects other devices, and the acoustic matching body formed of the ceramic porous body is reduced. In order to more efficiently transmit and receive ultrasonic waves, the density can be reduced.
第３の発明による超音波送受波器は、特に、第１または２の発明の封止手段は、前記ケースの有天部外側に音響整合体を接合手段で密着するように配設した状態で前記音響膜と前記接合手段の間に接着剤や塗料等を塗布して形成した構成としてある。 In the ultrasonic transducer according to the third invention, in particular, the sealing means according to the first or second invention is arranged in such a manner that the acoustic matching body is closely attached to the outside of the ceiling portion of the case by the joining means. An adhesive, paint, or the like is applied between the acoustic film and the joining means.
そして、ケースの有天部外側に音響整合体を接合手段で密着するように配設した状態で前記音響膜と前記接合手段の間に接着剤や塗料等を塗布して形成してあるので、音響整合体と接合手段の間に他の部品を使用せずに、簡単な工法で封止することができる。 And, since the acoustic matching body is disposed so as to be in close contact with the outside of the cased portion of the case with the joining means, it is formed by applying an adhesive or paint between the acoustic film and the joining means. Sealing can be performed by a simple construction method without using other components between the acoustic matching body and the joining means.
第４の発明による超音波送受波器は、特に、第１〜３のいずれか１項記載の発明の音響膜と接合手段と封止手段は、各々の親和性が高い樹脂バインダーを含有させた構成としてある。 In the ultrasonic transducer according to the fourth invention, in particular, the acoustic film, the joining means, and the sealing means according to any one of the first to third aspects contain a resin binder having high affinity. As a configuration.
そして、音響膜と接合手段と封止手段は、略同一性状を有する各々の親和性が高い樹脂バインダーを含有させてあるので、結合しやすくなり、その強度が増すとともに、音響膜と封止手段あるいは接合手段と封止手段の接合部分に気孔等の発生を抑制することができ、機密性が向上し、より、温度変化、或いは高温高湿に対する信頼性が向上できる。 And since the acoustic membrane, the joining means and the sealing means contain resin binders having substantially the same properties and high affinity, the acoustic membrane and the sealing means become easy to bond and increase in strength. Or generation | occurrence | production of a pore etc. can be suppressed in the junction part of a joining means and a sealing means, confidentiality improves, and the reliability with respect to a temperature change or high temperature / humidity can be improved more.
第５の発明による超音波送受波器は、特に、第１〜３のいずれか１項記載の発明の音響膜と接合手段と前記封止手段は、エポキシ樹脂等の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂をベースとした構成としてある。 In the ultrasonic transducer according to the fifth invention, in particular, the acoustic film according to any one of the first to third inventions, the joining means, and the sealing means are heat having substantially the same curing conditions such as epoxy resin. The configuration is based on a curable resin.
そして、音響膜と接合手段と前記封止手段は、エポキシ樹脂等の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂をベースとしてあるので、音響膜と接合手段と前記封止手段を個別に配設しても、１回の加熱硬化工程で同時に硬化できるため、簡素化ができるともに、硬化のための影響を減少させることができるようになるにようになる。 Since the acoustic film, the joining means, and the sealing means are based on a thermosetting resin having substantially the same curing conditions, such as an epoxy resin, the acoustic film, the joining means, and the sealing means are provided separately. Even so, since it can be cured simultaneously in one heat curing step, it can be simplified, and the influence for curing can be reduced.
第６の発明による超音波送受波器は、特に、第１〜５のいずれか１項記載の発明の音響膜は、離型フィルムにエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体で形成された音響整合体の表面に転写して形成した構成としてある。 The ultrasonic transducer according to the sixth aspect of the invention is, in particular, the acoustic film according to any one of the first to fifth aspects, wherein the release film is a resin material based on a thermosetting resin such as an epoxy resin. Is printed and then transferred to the surface of an acoustic matching body formed of a ceramic porous body.
そして、音響膜は離型フィルムにエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体で形成された音響整合体の表面に転写して形成してあるので、凹凸があり吸い込みやすいセラミック多孔体で形成された音響整合体の表面に所定量の樹脂材料を塗布することができ、音響膜の厚さを所定の厚さにできるため、音響膜の膜厚の変化による音響性能を安定化させることができる。 Since the acoustic film is formed by printing a resin material based on a thermosetting resin such as an epoxy resin on the release film and then transferring it to the surface of the acoustic matching body formed of a ceramic porous body. The thickness of the acoustic film can be reduced by applying a predetermined amount of resin material to the surface of the acoustic matching body formed of a ceramic porous body that is uneven and easy to absorb. It is possible to stabilize the acoustic performance due to the change of.
第７の発明による超音波送受波器は、特に、第１または２の発明の封止手段は、音響整合体の外周に樹脂等のリング状の封止部材を配設して形成し、その上下端部を前記音響膜と前記接合手段で密封した構成としてある。 In the ultrasonic transducer according to the seventh invention, in particular, the sealing means of the first or second invention is formed by disposing a ring-shaped sealing member such as a resin on the outer periphery of the acoustic matching body. The upper and lower ends are sealed with the acoustic film and the joining means.
そして、音響整合体の外周に樹脂等のリング状の封止部材を配設して形成し、その上下端部を前記音響膜と前記接合手段で密封するようにしてあるので、音響整合体の外周にリング状の封止部材を挿入するだけで、封止手段を形成することができ、封止手段形成のための時間短縮ができるようになるとともに、樹脂等のリング状の封止部材は成形品であるため、音響整合体の外周に対し均一とすることができ、封止部材の影響のばらつきを安定化させることができる。 Then, a ring-shaped sealing member such as a resin is disposed on the outer periphery of the acoustic matching body, and the upper and lower ends thereof are sealed with the acoustic film and the joining means. By simply inserting a ring-shaped sealing member on the outer periphery, a sealing means can be formed, and the time for forming the sealing means can be shortened. Since it is a molded product, it can be made uniform with respect to the outer periphery of the acoustic matching body, and variations in the influence of the sealing member can be stabilized.
第８の発明による超音波送受波器は、特に、第１または２の発明の音響整合体は、気泡導入された酸化物系セラミック材料からなるスラリーあるいはアクリルボール等の多孔化材を添加した酸化物系セラミック材料からなるスラリー中にモノマーを溶解させ成形用型内に注入するゲルキャスティング法で成形したものを焼成して棒状に形成したセラミック多孔体の外殻表面に、所定の厚みになるように接着剤や塗料等を塗布して封止手段を形成したのち、所定の形状にスライスして構成し、その上下端部を前記音響膜と前記接合手段で密封した構成としてある。 In the ultrasonic transducer according to the eighth invention, in particular, the acoustic matching body of the first or second invention is an oxidation in which a porous material such as a slurry made of an oxide-based ceramic material into which bubbles are introduced or an acrylic ball is added. The ceramic shell material, which is formed by gel casting method in which a monomer is dissolved in a slurry made of a physical ceramic material and injected into a molding die, is fired so as to have a predetermined thickness on the outer shell surface of the ceramic porous body formed into a rod shape. The sealing means is formed by applying an adhesive, paint, etc., and then sliced into a predetermined shape, and the upper and lower end portions thereof are sealed with the acoustic film and the joining means.
そして、棒状に形成したセラミック多孔体の外殻表面に、所定の厚みになるように接着剤や塗料等を塗布して封止手段を形成したのち、所定の形状にスライスして構成してある
ので、音響整合体と封止手段を一体化でき、一度に複数の音響整合体に封止手段を形成でき、封止手段の安定化をさせやすくできるとともに、工程の簡素化できる。
Then, a sealing means is formed by applying an adhesive or paint to the outer shell surface of the ceramic porous body formed in a rod shape so as to have a predetermined thickness, and then sliced into a predetermined shape. Therefore, the acoustic matching body and the sealing means can be integrated, the sealing means can be formed on a plurality of acoustic matching bodies at a time, the sealing means can be easily stabilized, and the process can be simplified.
また、セラミック多孔体で形成された音響整合体を、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、その密度を小さくしても、スライス前より強度を保持している棒状態で、セラミック多孔体の外殻表面に、接着剤や塗料等を塗布して形成した封止手段で強度アップが図れ、スライス時の欠け等が防げるとともに、スライスしたものも、強度アップが図れるようになり、音響整合体の取扱いがしやすくなる。 In addition, in order to more efficiently transmit and receive ultrasonic waves, an acoustic matching body made of a ceramic porous body is in a rod state that retains strength from before the slice even if its density is reduced. The sealing means formed by applying adhesive or paint on the outer shell surface of the body can increase the strength, preventing chipping during slicing, and improving the strength of sliced products as well. The alignment body can be easily handled.
第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明の超音波送受波器を被測定流体が流れる流路の上流側と下流側に少なくとも一対配置し、両超音波送受波器間の超音波伝搬時間にもとづいて前記被測定流体の流速および／または流量を測定するようにした超音流速流量計とすることにより、上記した第１〜第９のいずれか１つの発明の作用効果が得られ、温度変化、或いは高温高湿に対する信頼性の向上させた信頼性の高い計測精度の向上を図った超音流速流量計を提供できる。 In the ninth aspect of the invention, in particular, at least one pair of the ultrasonic transducers according to any one of the first to eighth aspects is disposed on the upstream side and the downstream side of the flow path through which the fluid to be measured flows, and both ultrasonic transmission / reception units are provided. By using an ultrasonic flow velocity flow meter that measures the flow velocity and / or flow rate of the fluid to be measured based on the ultrasonic propagation time between the vessels, any one of the first to ninth inventions described above is provided. It is possible to provide a supersonic flow meter that achieves an improvement in the measurement accuracy with high reliability by improving the reliability against temperature change or high temperature and high humidity.
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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the present embodiment.
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１によるセラミック多孔体で形成された超音波送受波器１の断面図、図２は超音流速流量計の測定原理説明図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer 1 formed of a ceramic porous body according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory view of the measurement principle of an ultrasonic flow velocity meter.
図１に示す超音波送受波器１は、導電材料として例えばステンレスからなる有天状のケース２を有し、ケース２の有天部内側に密着するように配設した圧電体３と、前記ケース２の有天部外側に接合手段４であるエポキシ接着剤からなる接合手段で密着するように配設したセラミック多孔体５で形成された音響整合体６を接着して固定するとともに、その反対面にフィルム状の音響膜７を形成するとともに、セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の細孔が露出する側壁に封止手段８を設け、該セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の細孔を音響膜７と接合手段４と封止手段８で密封してある。 An ultrasonic transducer 1 shown in FIG. 1 has a celestial case 2 made of, for example, stainless steel as a conductive material, and the piezoelectric body 3 disposed so as to be in close contact with the inside of the celestial part of the case 2; The acoustic matching body 6 formed of the ceramic porous body 5 disposed so as to be in close contact with the outer side of the cased portion of the case 2 by the bonding means made of an epoxy adhesive as the bonding means 4 is bonded and fixed, and vice versa. A film-like acoustic film 7 is formed on the surface, and a sealing means 8 is provided on the side wall where the pores of the acoustic matching body 6 formed of the ceramic porous body 5 are exposed. The pores of the matching body 6 are sealed with the acoustic film 7, the joining means 4, and the sealing means 8.
セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の細孔を音響膜７と接合手段４と封止手段８で密封する手順としては、有天状のケース２表面に、接合手段４となる熱硬化性のエポキシ樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、封止手段８となるエポキシ樹脂からなるリング状のシートをその周囲に挿入したセラミック多孔体５で形成された音響整合体６を載置する。次に、音響膜７は、音響膜７の材料となるエポキシ樹脂を、離型フィルムに印刷した後、セラミック多孔体で形成された音響整合体６の表面に転写して形成し、これを所定の温度・時間で加熱する。このとき、音響膜７と接合手段４と封止手段８とは、エポキシ樹脂の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂をベースとしてある。 As a procedure for sealing the pores of the acoustic matching body 6 formed of the ceramic porous body 5 with the acoustic film 7, the joining means 4, and the sealing means 8, heat that becomes the joining means 4 is formed on the surface of the celestial case 2. After printing a resin material based on a curable epoxy resin, an acoustic matching body 6 formed of a porous ceramic body 5 in which a ring-shaped sheet made of an epoxy resin serving as a sealing means 8 is inserted is mounted on the periphery. Put. Next, the acoustic film 7 is formed by printing an epoxy resin as a material of the acoustic film 7 on a release film, and then transferring the epoxy resin to the surface of the acoustic matching body 6 formed of a ceramic porous body. Heat at the temperature and time. At this time, the acoustic film 7, the joining means 4, and the sealing means 8 are based on a thermosetting resin having substantially the same curing conditions as the epoxy resin.
また、一方、圧電体９は、両端に対向する銀の電極２１１を備えた、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなるもので、上方の電極１０が接合手段１２であるエポキシ接着剤を介してケース２の有天部内側に密着するように接着されている。ケース２の下方開放部を閉塞する導電性の端子板１３には一対の端子１４，１５が取付けてある。さらに述べると、一方の端子１４は端子板１３に固定されており、ケース２、この端子板１３を介して圧電体９の上方電極１０が接続されている。他方の端子１５はシリコンゴムからなる絶縁部１６を介して端子板１３を絶縁貫通し、ニッケル粒子表面に金メッキを施した導電部１７を介在した形で圧電体９の下方電極１１に接続されている。 On the other hand, the piezoelectric body 9 is made of, for example, PZT (lead zirconate titanate) having silver electrodes 211 opposed to both ends, and an upper electrode 10 is bonded via an epoxy adhesive which is a joining means 12. The case 2 is adhered so as to be in close contact with the inside of the dome portion. A pair of terminals 14 and 15 are attached to the conductive terminal plate 13 that closes the lower open portion of the case 2. More specifically, one terminal 14 is fixed to a terminal plate 13, and the upper electrode 10 of the piezoelectric body 9 is connected via the case 2 and the terminal plate 13. The other terminal 15 is insulatively penetrated through the terminal plate 13 through an insulating portion 16 made of silicon rubber, and is connected to the lower electrode 11 of the piezoelectric body 9 with a conductive portion 17 having a nickel-plated surface plated with gold. Yes.
ここで、超音波送受波器１を用いた超音流速流量計の測定原理を詳述すると、図２に示
すように、流路を具備した測定管の管内には流体が速度Ｖにて図に示す方向に流れている。管壁２０には、一対の超音波送受波器２１、２２が相対して設置されている。超音波送受波器２１、２２は、電気エネルギー／機械エネルギー変換素子として圧電セラミック等の圧電振動子を用いて構成されていて、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性を示す。ここでは超音波送受波器２１を超音波送波器として用い、超音波送受波器２２を超音波受波器として用いる。
Here, the measurement principle of the ultrasonic flow rate flow meter using the ultrasonic transducer 1 will be described in detail. As shown in FIG. It flows in the direction shown in. On the tube wall 20, a pair of ultrasonic transducers 21, 22 are installed facing each other. The ultrasonic transducers 21 and 22 are configured using a piezoelectric vibrator such as a piezoelectric ceramic as an electrical energy / mechanical energy conversion element, and exhibit resonance characteristics like a piezoelectric buzzer and a piezoelectric oscillator. Here, the ultrasonic transmitter / receiver 21 is used as an ultrasonic transmitter and the ultrasonic transmitter / receiver 22 is used as an ultrasonic receiver.
その動作は、超音波送受波器２１の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印加すると、超音波送受波器２１は超音波送波器として働いて、外部の流体中に同図中のＬ１で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波送受波器２２が伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。続いて、反対に超音波送受波器２２を超音波送波器として用い、超音波送受波器２１を超音波受波器として用いる。超音波送受波器２２の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印加することにより、超音波送受波器２２は外部の流体中に同図中のＬ２で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波送受波器２１は伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。このように、超音波送受波器２１、２２は、受波器としての役目と送波器としての役目を果たすので、一般に超音波送受波器と呼ばれる。 The operation is as follows. When an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the ultrasonic transducer 21 is applied to the piezoelectric vibrator, the ultrasonic transducer 21 functions as an ultrasonic transducer and is inserted into an external fluid. Ultrasound is radiated to the propagation path indicated by L1 in the inside, and the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transducer 22 is received and converted into a voltage. Subsequently, on the contrary, the ultrasonic transducer 22 is used as an ultrasonic transmitter, and the ultrasonic transducer 21 is used as an ultrasonic receiver. By applying an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the ultrasonic transducer 22 to the piezoelectric vibrator, the ultrasonic transducer 22 applies ultrasonic waves to the propagation path indicated by L2 in the external fluid. The ultrasonic wave transmitter / receiver 21 radiates and transmits the ultrasonic wave, which is converted into a voltage. Thus, since the ultrasonic transducers 21 and 22 serve as a receiver and a transmitter, they are generally called ultrasonic transducers.
また、このような超音流速流量計では、連続的に交流電圧を印加すると超音波送受波器から連続的に超音波が放射されて伝搬時間を測定することが困難になるので、通常はパルス信号を搬送波とするバースト電圧信号を駆動電圧として用いる。以下、測定原理についてさらに詳細な説明を行う。駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器２１に印加して超音波送受波器２１から超音波バースト信号を放射すると、この超音波バースト信号は距離がＬの伝搬経路Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受波器２２に到達する。超音波送受波器２２では伝達して来た超音波バースト信号のみを高いＳ／Ｎ比で電気バースト信号に変換することができる。この電気バースト信号を電気的に増幅して、再び超音波送受波器２１に印加して超音波バースト信号を放射する。この装置をシング・アラウンド装置と呼び、超音波パルスが超音波送受波器２１から放射され伝搬路を伝搬して超音波送受波器２２に到達するのに要する時間をシング・アラウンド周期といい、その逆数をシング・アラウンド周波数という。 Also, in such a supersonic flow velocity flow meter, if alternating current voltage is applied continuously, ultrasonic waves are continuously emitted from the ultrasonic transducer, making it difficult to measure the propagation time. A burst voltage signal using the signal as a carrier wave is used as a drive voltage. Hereinafter, the measurement principle will be described in more detail. When a driving burst voltage signal is applied to the ultrasonic transducer 21 and an ultrasonic burst signal is radiated from the ultrasonic transducer 21, the ultrasonic burst signal propagates through a propagation path L1 having a distance L and t The ultrasonic transducer 22 is reached after a time. The ultrasonic transducer 22 can convert only the transmitted ultrasonic burst signal into an electric burst signal with a high S / N ratio. The electric burst signal is electrically amplified and applied to the ultrasonic transducer 21 again to radiate the ultrasonic burst signal. This device is called a single-around device, and the time required for an ultrasonic pulse to radiate from the ultrasonic transducer 21 and propagate through the propagation path to reach the ultrasonic transducer 22 is called a single-around period. The reciprocal is called the sing-around frequency.
図２において、管の中を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向の角度をθとする。超音波送受波器２１を超音波送波器、超音波送受波器２２を超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器２１から出た超音波パルスが超音波送受波器２２に到達する時間であるシング・アラウンド周期をｔ１、シング・アラウンド周波数ｆ１とすれば、次式(１)が成立する。 In FIG. 2, the flow velocity of the fluid flowing in the pipe is V, the velocity of the ultrasonic wave in the fluid is C, and the angle between the direction of flow of the fluid and the propagation direction of the ultrasonic pulse is θ. When the ultrasonic transmitter / receiver 21 is used as an ultrasonic transmitter / receiver and the ultrasonic transmitter / receiver 22 is used as an ultrasonic receiver, an ultrasonic pulse emitted from the ultrasonic transmitter / receiver 21 is converted into the ultrasonic transmitter / receiver 22. Assuming that the sing-around period, which is the time to reach, is t1, and the sing-around frequency f1, the following equation (1) is established.
（数１）
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（１）
逆に、超音波送受波器２２を超音波送波器として、超音波送受波器２１を超音波受波器として用いたときのシング・アラウンド周期をｔ２、シング・アラウンド周波数ｆ２とすれば、次式（２）の関係が成立する。
(Equation 1)
f1 = 1 / t1 = (C + Vcos θ) / L (1)
Conversely, if the ultrasonic transducer 22 is used as an ultrasonic transmitter and the ultrasonic transmitter / receiver 21 is used as an ultrasonic receiver, the sing-around period is t2, and the sing-around frequency f2 is The relationship of following Formula (2) is materialized.
（数２）
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（２）
したがって、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、 次式（３）となり、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆから流体の流速Ｖを求めることができる。
(Equation 2)
f2 = 1 / t2 = (C−Vcos θ) / L (2)
Therefore, the frequency difference Δf between the two sing-around frequencies is expressed by the following equation (3), and the fluid flow velocity V can be obtained from the ultrasonic propagation path distance L and the frequency difference Δf.
（数３）
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（３）
すなわち、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆから流体の流速Ｖを求めることがで
き、その流速Ｖから流量を調べることができる。
(Equation 3)
Δf = f1-f2 = 2V cos θ / L (3)
That is, the flow velocity V of the fluid can be obtained from the distance L of the ultrasonic propagation path and the frequency difference Δf, and the flow rate can be examined from the flow velocity V.
このような超音流速流量計では精度が要求され、その精度を向上させるために、気体に超音波を送波、または気体を伝搬して来た超音波を受波する超音波送受波器を構成している圧電振動子における超音波の送受波面に形成される音響整合体の音響インピーダンスが重要となる。 In such an ultrasonic flow velocity meter, accuracy is required, and in order to improve the accuracy, an ultrasonic transducer for transmitting an ultrasonic wave to a gas or receiving an ultrasonic wave propagating through the gas is required. The acoustic impedance of the acoustic matching body formed on the ultrasonic wave transmission / reception surface of the piezoelectric vibrator is important.
本実施例では、圧電体９で振動された超音波は特定の周波数で振動し、その振動は接合手段１２であるエポキシ接着剤を介してケース２に伝わり、さらに接合手段４として用いたエポキシ接着剤を介してセラミック多孔体５で形成された音響整合体６に伝わり、整合した振動は音響膜５を介して、空間に存在する媒体である気体に音波として伝搬する。このとき、音響膜７はフィルム状となっており、被測定流体に相対する表面近傍の空隙率が、セラミック多孔体で形成された音響整合体の表面近傍の空隙率に比較して低く、より平面に近いため、振動子によって振動させられた音響整合部材の振動が被測定流体を振動させたり（送信）、また逆に被測定流体の振動により音響整合部材が振動させられること（受信）を効率よく行うことができるように設けてある。 In the present embodiment, the ultrasonic wave vibrated by the piezoelectric body 9 vibrates at a specific frequency, and the vibration is transmitted to the case 2 via the epoxy adhesive which is the joining means 12, and further the epoxy adhesive used as the joining means 4. The vibrations transmitted to the acoustic matching body 6 formed of the ceramic porous body 5 through the agent are propagated as sound waves through the acoustic film 5 to the gas which is a medium existing in the space. At this time, the acoustic film 7 has a film shape, and the porosity in the vicinity of the surface relative to the fluid to be measured is lower than the porosity in the vicinity of the surface of the acoustic matching body formed of the ceramic porous body. Since it is close to a plane, the vibration of the acoustic matching member vibrated by the vibrator vibrates the measured fluid (transmission), and conversely, the acoustic matching member is vibrated by the vibration of the measured fluid (reception). It is provided so that it can be performed efficiently.
このように、この音響整合体６の役割は振動手段の振動を効率良く気体に伝搬させるようにしてある。物質中の音速Ｃと密度ρとで式（４）のように音響インピーダンスＺが定義される。 Thus, the role of the acoustic matching body 6 is to efficiently propagate the vibration of the vibration means to the gas. The acoustic impedance Z is defined by the sound velocity C and the density ρ in the substance as shown in Expression (4).
（数４）
Ｚ＝ρ×Ｃ ・・・（４）
音響インピーダンスは振動手段である圧電体９と超音波の放射媒体である気体とでは大きく異なる。例えば、一般的な圧電体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等のピエゾセラミックスの音響インピーダンス（Ｚ０）は３０×１００００００ｋｇ／ｍ2・ｓ程度である。また、放射媒体である気体、例えば空気の音響インピーダンス（Ｚ３）は４００ｋｇ／ｍ2・ｓ程度である。このような音響インピーダンスの異なる境界面上では音波の伝搬に反射を生じて、透過する音波の強さが弱くなる。これを解決する方法として、振動手段である圧電体と超音波の放射媒体である気体のそれぞれの音響インピーダンスＺ０とＺ３に対して、両者の間に式（５）の関係を有する音響インピーダンスを持つ物質を挿入することによって、音の反射を軽減して音波の透過する強度を高める方法が一般に知られている。
(Equation 4)
Z = ρ × C (4)
The acoustic impedance is greatly different between the piezoelectric body 9 as a vibration means and the gas as an ultrasonic radiation medium. For example, the acoustic impedance (Z0) of a piezoceramic such as PZT (lead zirconate titanate), which is a general piezoelectric body, is about 30 × 1000000 kg / m 2 · s. In addition, the acoustic impedance (Z3) of a gas as a radiation medium, for example, air, is about 400 kg / m 2 · s. On such boundary surfaces having different acoustic impedances, the propagation of the sound wave is reflected, and the intensity of the transmitted sound wave becomes weak. As a method for solving this, the acoustic impedances Z0 and Z3 of the piezoelectric body that is the vibration means and the gas that is the ultrasonic radiation medium have acoustic impedances having the relationship of the formula (5) between them. A method is generally known in which a substance is inserted to reduce sound reflection and increase the intensity of sound wave transmission.
（数５）
Ｚ＝（Ｚ０×Ｚ３）(１/２) ・・・（５）
この条件を満たす音響インピーダンスが整合した時の最適な値は、１１×１００００ｋｇ／ｍ2・ｓ程度となる。この音響インピーダンスを満たす物質は、式（４）からわかるように固体で密度が小さく音速の遅いものであることが要求される。
(Equation 5)
Z = (Z0 × Z3) (1/2) (5)
The optimum value when acoustic impedance satisfying this condition is matched is about 11 × 10000 kg / m 2 · s. A substance satisfying this acoustic impedance is required to be solid, low in density, and low in sound speed as can be seen from Equation (4).
本実施例では、前記音響整合体６は、気泡導入された酸化物系セラミック材料からなるスラリー中にモノマーを溶解させ成形用型内に注入するゲルキャスティング法で成形したものを焼成して造られるセラミック成形体を所定の形状にスライスしたセラミック多孔体で構成されており、音響整合体６の密度を可能な限り、小さくしてある。以下、セラミック多孔体の製造方法に関して詳細に説明する。 In this embodiment, the acoustic matching body 6 is manufactured by firing a gel casting method in which a monomer is dissolved in a slurry made of an oxide ceramic material into which bubbles are introduced and injected into a molding die. The ceramic molded body is composed of a ceramic porous body sliced into a predetermined shape, and the density of the acoustic matching body 6 is made as small as possible. Hereinafter, the manufacturing method of a ceramic porous body is demonstrated in detail.
図３は、音響整合体６に用いたセラミック多孔体５の製造工程フローを示している。難焼性セラミックを粉砕する工程と、セラミックの粉末に添加剤を加えスラリー化し、気泡を導入する工程と、スラリーを型に流し込み成型する工程と、焼成する工程よりなる。以下詳細に説明する。 FIG. 3 shows a manufacturing process flow of the ceramic porous body 5 used for the acoustic matching body 6. It comprises a step of pulverizing a non-combustible ceramic, a step of adding an additive to the ceramic powder to form a slurry, introducing bubbles, a step of casting the slurry into a mold, and a step of firing. This will be described in detail below.
（難焼結性セラミック粉砕工程）
セラミックの粉砕は、ボールミルやポットミル等で混合、粉砕等することにより得られる。セラミック粉の平均粒径は特に限定しないが、好ましくは、１０μｍ以下である。この範囲の平均粒径のセラミックを用いると、スラリー中での粉末分散性が向上されるとともに、焼結性も向上されるからである。
(Hard-sintering ceramic grinding process)
The ceramic can be pulverized by mixing, pulverizing, or the like using a ball mill or pot mill. The average particle size of the ceramic powder is not particularly limited, but is preferably 10 μm or less. This is because the use of a ceramic having an average particle diameter in this range improves the powder dispersibility in the slurry and also improves the sinterability.
（セラミックの粉末のスラリー化工程）
セラミックスラリーにおいて、セラミック粉末を懸濁する媒体は、水、有機溶媒、これらの混合溶媒等を使用することができる。好ましくは水を使用する。セラミックスラリー中に、セラミック粉末を均一に含有させるためには、適当な分散剤を使用することが好ましい。分散剤として、ポリカルボン酸系分散剤（アニオン系分散剤）を使用でき、具体的には、ポリカルボン酸アンモニウムやポリカルボン酸ナトリウムを使用できる。好ましくは、分散剤の添加量に伴うスラリー粘度変化が大きい分散剤を使用する。分散剤の使用量は、好ましくは、セラミック粉末の重量に対して５重量％以下であり、より好ましくは、１重量％以下である。
(Ceramic powder slurrying process)
In the ceramic slurry, water, an organic solvent, a mixed solvent thereof or the like can be used as a medium for suspending the ceramic powder. Preferably water is used. In order to uniformly contain the ceramic powder in the ceramic slurry, it is preferable to use an appropriate dispersant. As the dispersant, a polycarboxylic acid-based dispersant (anionic dispersant) can be used. Specifically, ammonium polycarboxylate or sodium polycarboxylate can be used. Preferably, a dispersant having a large change in slurry viscosity with the addition amount of the dispersant is used. The amount of the dispersant used is preferably 5% by weight or less, more preferably 1% by weight or less, based on the weight of the ceramic powder.
セラミックスラリーは、セラミックスラリー気泡導入前に脱法し、スラリーを攪拌しながら気泡を導入する。セラミックスラリーに気泡を導入する際に、目的の形状に成型するため、ゲル化剤や、モノマーと重合開始剤とからなる重合性材料を加える。ゲル化剤を使用すると、温度制御やｐＨ制御等によってスラリーをゲル化することになる。ゲル化剤としては、ゼラチン、アガロース、寒天、アルギン酸ナトリウム等を挙げることができる。 The ceramic slurry is removed before introducing the ceramic slurry bubbles, and the bubbles are introduced while stirring the slurry. When air bubbles are introduced into the ceramic slurry, a gelling agent or a polymerizable material composed of a monomer and a polymerization initiator is added in order to form a desired shape. When a gelling agent is used, the slurry is gelled by temperature control or pH control. Examples of the gelling agent include gelatin, agarose, agar, sodium alginate and the like.
重合性材料を用いる場合は、重合性材料のモノマーを用いる。具体的には、１または２以上のビニル基やアリル基等を備えたモノマーを挙げることができる。スラリーが水あるいは水性溶媒にて構成される場合には、１または２官能基性の重合性モノマーを用いることが好ましい。また、スラリーが、有機溶媒にて構成される場合には、２官能基性の重合性モノマーであることが好ましい。特に、スラリーにおいて水を溶媒として調製する場合には、好ましくは、少なくとも１種の１官能基性の（メタ）アクリル酸アミドと、少なくとも１種の２官能基性の（メタ）アクリル酸アミドとを組み合わせて使用する。また、スラリーを有機溶媒で調製する場合には、好ましくは、少なくとも２種の２官能基性の（メタ）アクリル酸を組み合わせて使用する。 When a polymerizable material is used, a monomer of the polymerizable material is used. Specific examples include monomers having one or more vinyl groups or allyl groups. When the slurry is composed of water or an aqueous solvent, it is preferable to use a monofunctional or bifunctional polymerizable monomer. Moreover, when a slurry is comprised with an organic solvent, it is preferable that it is a bifunctional polymerizable monomer. In particular, when preparing water as a solvent in the slurry, preferably, at least one monofunctional (meth) acrylic amide and at least one bifunctional (meth) acrylic amide Are used in combination. Moreover, when preparing a slurry with an organic solvent, it is preferable to use a combination of at least two types of bifunctional (meth) acrylic acid.
１官能基性モノマーや２官能基性モノマーを使用する場合には、好ましくは、過硫酸アンモニウムや過硫化カリウム等である。また、２以上の官能基を有する官能基性モノマーを使用する場合には、好ましくは、有機過酸化物や過酸化水素化合物や、アゾあるいはジアゾ化合物を使用する。具体的には、過酸化ベンゾイルである。 When a monofunctional monomer or a bifunctional monomer is used, ammonium persulfate, potassium persulfide, or the like is preferable. Moreover, when using the functional monomer which has a 2 or more functional group, Preferably, an organic peroxide, a hydrogen peroxide compound, an azo, or a diazo compound is used. Specifically, it is benzoyl peroxide.
導入したガスは、界面活性剤等によって気泡としてスラリー中に保持するようにするのが好ましい。界面活性剤は、当該気泡導入工程において、攪拌等による気泡の導入前にセラミックスラリーに添加することが好ましい。界面活性剤としてはアルキルベンゼンスルホン酸等の陰イオン性界面活剤や、高級アルキルアミノ酸等の陽イオン界面活性剤を例示できる。具体的には、ｎ−ドデシルベンゼンスルホン酸、ポリオキシエチレンソルビタンモノラウリレート、ポリオキシエチレンモノオレート、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル及びこれらのナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩を挙げることができる。また、トリエタノールアミンラウリルエーテル等及びこれらのハロゲン化塩や、硫酸塩、酢酸塩、塩酸塩等を挙げることができる。また、ジエチルヘキシルコハク酸及びそのアルカリ金属塩等を挙げることができる。 The introduced gas is preferably held in the slurry as bubbles by a surfactant or the like. The surfactant is preferably added to the ceramic slurry before the introduction of bubbles by stirring or the like in the bubble introduction step. Examples of the surfactant include an anionic surfactant such as an alkylbenzene sulfonic acid, and a cationic surfactant such as a higher alkyl amino acid. Specifically, n-dodecylbenzenesulfonic acid, polyoxyethylene sorbitan monolaurate, polyoxyethylene monooleate, polyoxyethylene nonylphenyl ether, polyoxyethylene lauryl ether, and alkali metal salts thereof such as sodium and potassium are used. Can be mentioned. Further, triethanolamine lauryl ether and the like and halogenated salts thereof, sulfate, acetate, hydrochloride and the like can be mentioned. Moreover, diethyl hexyl succinic acid and its alkali metal salt etc. can be mentioned.
（気泡導入工程）
以上のようにして作製したスラリーに気泡を導入する。この気泡導入工程において、ゲル化材料として重合性材料を用いる場合には、重合性材料とともに、重合開始剤、あるいは重合開始剤と重合触媒とを添加することが好ましい。重合触媒を添加すれば、ゲル化温度やその添加量によりゲル化工程の時間を調整することができる。通常、重合触媒を添加すると、室温付近で速やかにゲル化（重合）が開始される。したがって、気泡導入方法や気泡導入量等を考慮して、重合触媒の使用や種類が選択される。重合触媒としては、例えば、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン等を挙げることができる。
(Bubble introduction process)
Bubbles are introduced into the slurry prepared as described above. In the bubble introduction step, when a polymerizable material is used as the gelling material, it is preferable to add a polymerization initiator or a polymerization initiator and a polymerization catalyst together with the polymerizable material. If a polymerization catalyst is added, the time of a gelation process can be adjusted with gelation temperature or its addition amount. Usually, when a polymerization catalyst is added, gelation (polymerization) starts rapidly around room temperature. Therefore, the use and type of the polymerization catalyst are selected in consideration of the bubble introduction method, the bubble introduction amount, and the like. Examples of the polymerization catalyst include N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine and the like.
（スラリー成型工程）
このようにして調製した含気泡セラミックスラリーを、成形型等に注入して、ゲル化させ、ゲル状多孔質成形体を形成する。含気泡セラミックスラリー円筒状の型に流し込み、重合反応あるいはゲル化反応を行って、固化させる。スラリーが固化すると、スラリー中に存在していた気泡も、ゲル状体中に保存される。この結果、固化体が多孔質となり、ゲル状多孔質成形体が得られる。これを脱型して、乾燥、脱脂、焼成する。乾燥は、ゲル状多孔質成形体中に含まれている水、溶媒を蒸発させるように行う。乾燥条件（温度、湿度、時間等）は、スラリー調製に用いた溶媒の種類とゲル状多孔質成形体の骨格部分を構成する成分（ゲル化剤あるいは重合体）によって適宜調整する。通常は、２０℃以上であり、好ましくは、２５℃以上８０℃以下であり、より好ましくは、２５℃以上４０℃以下である。
(Slurry molding process)
The cell-containing ceramic slurry thus prepared is injected into a mold or the like and gelled to form a gel-like porous molded body. It is poured into a cylindrical mold of a bubble-containing ceramic slurry and solidified by a polymerization reaction or a gelation reaction. When the slurry is solidified, the air bubbles present in the slurry are also stored in the gel. As a result, the solidified body becomes porous, and a gel-like porous molded body is obtained. This is demolded, dried, degreased and fired. Drying is performed so as to evaporate water and solvent contained in the gel-like porous molded body. The drying conditions (temperature, humidity, time, etc.) are appropriately adjusted according to the type of solvent used for slurry preparation and the components (gelling agent or polymer) constituting the skeleton of the gel-like porous molded body. Usually, it is 20 ° C or higher, preferably 25 ° C or higher and 80 ° C or lower, more preferably 25 ° C or higher and 40 ° C or lower.
（焼成工程）
つぎに、乾燥体から有機分を除去するために、さらに高温で加熱する。脱脂のための温度と時間は、使用した有機分の量および種類によって調整する。例えば、ゲル化のための材料としてメタクリルアミドとN,N-メチレンビスアクリルアミドを用いたスラリーから調製したゲル状多孔質成形体の場合、７００℃で２日間脱脂する。
(Baking process)
Next, in order to remove organic components from the dried product, heating is performed at a higher temperature. The temperature and time for degreasing are adjusted according to the amount and type of organic component used. For example, in the case of a gel-like porous molded body prepared from a slurry using methacrylamide and N, N-methylenebisacrylamide as a material for gelation, degreasing is performed at 700 ° C. for 2 days.
脱脂後には、焼成工程を実施する。焼成のための条件は、使用したセラミック材料の種類等を考慮して設定される。このような工程により、本発明のセラミック多孔体１１を得ることができる。 After degreasing, a firing process is performed. The conditions for firing are set in consideration of the type of ceramic material used. Through such steps, the ceramic porous body 11 of the present invention can be obtained.
セラミック多孔体１１は、多孔体であり、複数の空隙が存在している。空隙はセラミック多孔体１１に分散して存在することが好ましい。空隙は、独立して存在する場合もあり、他の空隙と連続して存在し、外部と連通している場合もある。本音響整合体１０では、孔部が連続して存在するほうが好ましい。 The ceramic porous body 11 is a porous body and has a plurality of voids. The voids are preferably present dispersed in the ceramic porous body 11. The air gap may exist independently, may exist continuously with other air gaps, and may communicate with the outside. In the acoustic matching body 10, it is preferable that the holes exist continuously.
セラミック多孔体１１は、全体として、６０％以上９０％以下の気孔率（ここでは開気孔及び閉気孔を含む全気孔率を意味する。）を有していることが好ましい。より好ましくは、８０％以上９０％以下である。全気孔率は、以下に示す計算式（３）によって求められる。 It is preferable that the ceramic porous body 11 has a porosity of 60% or more and 90% or less as a whole (here, it means the total porosity including open pores and closed pores). More preferably, it is 80% or more and 90% or less. The total porosity is determined by the following calculation formula (3).
全気孔率（％）＝（１−かさ密度／真密度）×１００ （３）
ただし、かさ密度＝試料の重量／試料のかさ体積である。真密度は、例えば、極めて微粉化した試料の任意量をピクノメータに投入し、所定の容積に至るまで水を注入して煮沸等してボイドを排除した上で、その重さと容積との関係から求めることができる。前記効率が、６０％以下では、音響整合体１の密度ρ１が大きくなり孔径９０％を超えると機械的強度の低下が著しいからである。開気孔率は、より好ましくは、６５％以上であり、また、８５％以下であり、強度の許す範囲で軽くして、密度が小さく音速の遅いものに近づけようにしてある。
Total porosity (%) = (1−bulk density / true density) × 100 (3)
However, bulk density = weight of sample / bulk volume of sample. The true density is determined by, for example, putting an arbitrary amount of a finely pulverized sample into a pycnometer, injecting water up to a predetermined volume and boiling to eliminate voids, and then from the relationship between the weight and the volume. Can be sought. This is because when the efficiency is 60% or less, the density ρ1 of the acoustic matching body 1 increases, and when the hole diameter exceeds 90%, the mechanical strength significantly decreases. The open porosity is more preferably 65% or more and 85% or less, and it is made lighter within the range allowed by the strength so as to be close to that having a small density and a slow sound speed.
以上の材料、および製造条件を最適化し、本発明の実施の形態における音響整合体１の
セラミック多孔体１１の密度を２００ｋｇ／m３以上４００ｋｇ／m３未満で調整することで密度の低く強度の大きいセラミック多孔体１１を実現することができた。
By optimizing the above materials and manufacturing conditions, and adjusting the density of the ceramic porous body 11 of the acoustic matching body 1 in the embodiment of the present invention at 200 kg / m 3 or more and less than 400 kg / m 3 , the density is low and the strength is low. A large ceramic porous body 11 could be realized.
あるいは、セラミックス多孔体は、セラミックスマトリックスを形成する材料（例えば、アルミナ）に空孔形成材を混合し、空孔形成材をセラミックスマトリックスを形成する材料に混合した状態で加圧し、さらに焼成処理を行って、当該材料同士を結合し、空孔形成材を除去する方法で製造されたものであってよい。空孔形成材は、焼成の際に溶融する材料、または特定の溶剤に溶解する材料で形成され、例えば、アクリル球（焼成の際に溶融する）または鉄球（硫酸に溶解する）である。セラミックスマトリックスを形成する材料は、骨格を形成する主材料と、主材料と異なる大きさでかつ主材料を固める補助材料から成ってよい。補助材料は、例えばガラスである。 Alternatively, the porous ceramic body is prepared by mixing a pore forming material with a material forming a ceramic matrix (for example, alumina), pressurizing the pore forming material with a material forming the ceramic matrix, and further performing a firing treatment. It may be manufactured by a method in which the materials are bonded to each other and the pore forming material is removed. The pore forming material is formed of a material that melts during firing or a material that dissolves in a specific solvent, and is, for example, an acrylic sphere (melted during firing) or an iron sphere (dissolves in sulfuric acid). The material forming the ceramic matrix may be composed of a main material that forms a skeleton and an auxiliary material that is different in size from the main material and hardens the main material. The auxiliary material is, for example, glass.
以上のように、本実施の形態においては、音響整合体６を構成するセラミック多孔体５で形成された細孔を前記音響膜７と前記接合手段４と前記封止手段８で密封してあるので、性質上吸湿しやすいセラミック多孔体５で形成された音響整合体６のセラミック部分の骨格が露出しなくなり、温度変化、或いは高温高湿下に放置されても音響整合体の吸湿が抑制され、良好な出力感度を維持できることとなる。また、セラミック多孔体５で形成された音響整合体６が前記音響膜７と前記接合手段と前記封止手段８で保護されるため、セラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵する心配もなくなる。 As described above, in the present embodiment, the pores formed by the ceramic porous body 5 constituting the acoustic matching body 6 are sealed by the acoustic film 7, the joining means 4, and the sealing means 8. Therefore, the skeleton of the ceramic portion of the acoustic matching body 6 formed of the ceramic porous body 5 that easily absorbs moisture is not exposed, and moisture absorption of the acoustic matching body is suppressed even when it is left under a temperature change or high temperature and high humidity. Therefore, good output sensitivity can be maintained. Further, since the acoustic matching body 6 formed of the ceramic porous body 5 is protected by the acoustic film 7, the joining means, and the sealing means 8, a part of the acoustic matching body formed of the ceramic porous body is missing. Or worry about dust generation.
さらに、ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した音響整合体の周囲に封止手段を配設してあるので、圧電体の振動は、ケースを介して音響整合体に伝達する際に生じるケースの残響を制振することができるようになり、測定精度の向上が図れる。 Further, since the sealing means is disposed around the acoustic matching body disposed so as to be in close contact with the outer portion of the case with the bonding means, the vibration of the piezoelectric body is applied to the acoustic matching body through the case. The reverberation of the case that occurs during transmission can be suppressed, and the measurement accuracy can be improved.
また、音響整合体を構成するゲルキャスティング法で成形したセラミック多孔体は、スラリー中のモノマーがラジカル重合することより、型内でポリマーのネットワークが形成され、ゲル湿潤成形体となるため、スラリーの流動過程と固化過程が完全に分離し、粒子がその場で固定されることにより、セラミック多孔体５中の不均一や欠陥が発生しにくく、一般的な加圧成形や鋳込み成形に対し約１０倍以上の強度を得ることができるとともに、均一の組織となり、密度ばらつきも小さいため、複雑な形状でも対応でき、軽くて強度も高くすることができる。したがって、輸送時などにセラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵して、他の機器に悪影響を与える心配が少なくなり、セラミック多孔体で形成された音響整合体を、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、その密度を小さくすることができるようになる。 In addition, the ceramic porous body formed by the gel casting method that constitutes the acoustic matching body has a polymer network formed in the mold due to radical polymerization of the monomers in the slurry, resulting in a gel wet molded body. Since the flow process and the solidification process are completely separated and the particles are fixed in situ, non-uniformity and defects in the ceramic porous body 5 are less likely to occur. The strength can be doubled or higher, and the structure is uniform, and the density variation is small. Therefore, even complex shapes can be handled, and the strength can be increased. Therefore, there is less concern that the acoustic matching body formed of the porous ceramic body will be chipped or generate dust during transportation, etc., and adversely affect other equipment. In order to more efficiently transmit and receive ultrasonic waves, the density can be reduced.
そして、音響膜７と接合手段４と封止手段８は、エポキシ樹脂をベースとした樹脂材料として、略同一性状を有する各々の親和性が高い樹脂バインダーとしてあるので、結合しやすくなり、その強度が増すとともに、音響膜と封止手段あるいは接合手段と封止手段の接合部分に気孔等の発生を抑制することができ、機密性が向上し、より、温度変化、或いは高温高湿に対する信頼性が向上できる。 The acoustic film 7, the joining means 4, and the sealing means 8 are resin materials based on an epoxy resin, each being a resin binder having high affinity and having high affinity. In addition, the generation of pores and the like can be suppressed at the joined portion between the acoustic film and the sealing means or the joining means and the sealing means, and the confidentiality is improved, and the reliability against temperature change or high temperature and high humidity is further improved. Can be improved.
また、音響膜７と接合手段４と前記封止手段８は、エポキシ樹脂等の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂をベースとしてあるので、音響膜と接合手段と前記封止手段を個別に配設しても、１回の加熱硬化工程で同時に硬化できるため、簡素化ができるともに、硬化のための加熱回数を少なくでき、その影響を減少させることができるようになるにようになる。 Further, since the acoustic film 7, the joining means 4 and the sealing means 8 are based on a thermosetting resin having substantially the same curing conditions such as an epoxy resin, the acoustic film, the joining means and the sealing means are individually provided. Even if it is disposed in the case, since it can be cured simultaneously in one heat curing step, it can be simplified, and the number of times of heating for curing can be reduced, and its influence can be reduced. .
さらに、音響膜７は離型フィルムにエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の表面に転写して形成してあるので、凹凸があり吸い込みやすいセラミック多孔体５で形成された音響整合体
６の表面に所定量の樹脂材料を塗布することができ、音響膜７の厚さを所定の厚さにできるため、音響膜７の膜厚の変化による音響性能を安定化させることができる。
Furthermore, the acoustic film 7 is formed by printing a resin material based on a thermosetting resin such as an epoxy resin on the release film, and then transferring it to the surface of the acoustic matching body 6 formed of the ceramic porous body 5. Therefore, a predetermined amount of resin material can be applied to the surface of the acoustic matching body 6 formed of the porous ceramic body 5 that is uneven and easy to suck in, and the thickness of the acoustic film 7 can be set to a predetermined thickness. The acoustic performance due to the change in the film thickness of the acoustic film 7 can be stabilized.
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における超音波送受波器３０の断面図である。なお、本実施の形態は、実施の形態１の音響膜７と接合手段４と封止手段８で密封する手段を他の手法で行ったもので、封止手段の構成が実施の形態１の発明と異なるだけで、同一の番号を付与し、異なる構成についてのみ説明を行う。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer 30 according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the means for sealing with the acoustic film 7, the joining means 4 and the sealing means 8 of the first embodiment is performed by other methods, and the configuration of the sealing means is the same as that of the first embodiment. Only the differences from the invention are given the same numbers, and only different configurations will be described.
セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の細孔を音響膜７と接合手段４と封止手段８で密封する手順としては、有天状のケース２表面に、接合手段となる熱硬化性のエポキシ樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体で形成された音響整合体６を載置し、次に、音響膜７は、離型フィルムに熱硬化性のエポキシ樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の表面に転写して形成し、これを所定の温度・時間で焼成する。このとき、音響膜７と接合手段４は、エポキシ樹脂の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂接着剤をベースとしてある。次に、この焼成して硬化したものに、封止手段８であるシリコンを、セラミック多孔体で形成された音響整合体の側壁全周にポッティングして、セラミック多孔体で形成された音響整合体の細孔を密封する封止手段を形成してある。 As a procedure for sealing the pores of the acoustic matching body 6 formed of the ceramic porous body 5 with the acoustic film 7, the joining means 4, and the sealing means 8, the surface of the celestial case 2 is thermally cured as a joining means. After printing a resin material based on a porous epoxy resin, the acoustic matching body 6 formed of a ceramic porous body is placed. Next, the acoustic film 7 is formed by applying a thermosetting epoxy resin to the release film. After the base resin material is printed, it is transferred to the surface of the acoustic matching body 6 formed of the ceramic porous body 5 and is fired at a predetermined temperature and time. At this time, the acoustic film 7 and the joining means 4 are based on a thermosetting resin adhesive having substantially the same curing conditions as the epoxy resin. Next, silicon that is the sealing means 8 is potted on the entire periphery of the side wall of the acoustic matching body formed of the ceramic porous body, and the acoustic matching body formed of the ceramic porous body. Sealing means for sealing the pores is formed.
このようにセラミック多孔体で形成された音響整合体の細孔を密封してあるので、実施の形態１と同様な効果が得られ、性質上吸湿しやすいセラミック多孔体で形成された音響整合体の表面が露出しなくなり、温度変化、或いは高温高湿下に放置されても音響整合体の吸湿が抑制され、良好な出力感度を維持できることとなる。また、セラミック多孔体で形成された音響整合体が前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で保護されるため、セラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵する心配もなくなる。 Since the pores of the acoustic matching body formed of the ceramic porous body are sealed as described above, the acoustic matching body formed of the ceramic porous body that has the same effects as those of the first embodiment and is easily hygroscopic in nature. Therefore, even if the surface of the acoustic matching body is left under a temperature change or high temperature and high humidity, moisture absorption of the acoustic matching body is suppressed, and good output sensitivity can be maintained. In addition, since the acoustic matching body formed of the ceramic porous body is protected by the acoustic film, the joining means, and the sealing means, a part of the acoustic matching body formed of the ceramic porous body may be chipped or generate dust. There is no need to worry.
さらに、音響膜と接合手段の間の側壁全周にポッティングするようにしてあるので、ポッティング時に、目視で確認しながら作業ができ、音響膜と接合手段の間の側壁全周を確実に調整しながらポッティングすることができる。 Furthermore, since the potting is performed on the entire side wall between the acoustic membrane and the joining means, the work can be performed while visually checking at the time of potting, and the entire side wall circumference between the acoustic membrane and the joining means is reliably adjusted. Can be potted while.
また、ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した音響整合体の周囲に柔軟性を有する常温硬化型のシリコンからなる封止手段を配設してあるので、実施の形態１よりさらに、圧電体の振動をケースを介して音響整合体に伝達する際に生じるケースの残響を制振することができるようになり、測定精度の向上が図れる。 In addition, since a flexible sealing means made of room temperature curing type silicon is disposed around the acoustic matching body disposed so as to be in close contact with the outer portion of the case with the bonding means. Further, the reverberation of the case that occurs when the vibration of the piezoelectric body is transmitted to the acoustic matching body through the case can be suppressed, and the measurement accuracy can be improved.
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における超音波送受波器３１の断面図である。なお、本実施の形態は、実施の形態１の音響膜７と接合手段４と封止手段８で密封する手段を他の手法で行ったもので、封止手段８の構成が実施の形態１の発明と異なるだけで、同一の番号を付与し、異なる構成についてのみ説明を行う。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer 31 according to Embodiment 3 of the present invention. In this embodiment, the means for sealing with the acoustic film 7, the joining means 4, and the sealing means 8 of the first embodiment is performed by another method, and the configuration of the sealing means 8 is the first embodiment. Only the different configuration will be described by giving the same reference numerals.
超音波送受波器３１は、音響整合体６の外周に樹脂等のリング状の封止部材８を配設して形成し、その上下端部を前記音響膜７と前記接合手段４とで密封した構成としてある。 The ultrasonic transducer 31 is formed by disposing a ring-shaped sealing member 8 such as a resin on the outer periphery of the acoustic matching body 6, and sealing the upper and lower ends thereof with the acoustic film 7 and the joining means 4. It is as a configuration.
そして、音響整合体６の外周に樹脂等のリング状の封止部材８を配設して形成し、その上下端部を前記音響膜７と前記接合手段で密封するようにしてあるので、音響整合体６の外周にリング状の封止部材８を挿入するだけで、封止手段を形成することができ、封止手段８形成のための時間短縮ができるようになるとともに、樹脂等のリング状の封止部材８は成形品であるため、音響整合体６の外周に対し均一とすることができ、封止部材の影響
のばらつきを安定化させることができる。
Then, a ring-shaped sealing member 8 such as a resin is formed on the outer periphery of the acoustic matching body 6 and the upper and lower ends thereof are sealed with the acoustic film 7 and the joining means. By simply inserting a ring-shaped sealing member 8 around the outer periphery of the alignment body 6, a sealing means can be formed, the time required for forming the sealing means 8 can be shortened, and a ring such as a resin can be formed. Since the shaped sealing member 8 is a molded product, it can be made uniform with respect to the outer periphery of the acoustic matching body 6, and variations in the influence of the sealing member can be stabilized.
（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４における超音波送受波器３３の断面図である。なお、本実施の形態は、実施の形態１の音響膜と接合手段と封止手段で密封する手段を他の手法で行ったもので、封止手段の構成が実施の形態１の発明と異なるだけで、同一の番号を付与し、異なる構成についてのみ説明を行う。
(Embodiment 4)
FIG. 6 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer 33 according to Embodiment 4 of the present invention. In the present embodiment, the means for sealing with the acoustic film, the joining means, and the sealing means of the first embodiment is performed by another method, and the configuration of the sealing means is different from that of the first embodiment. Only the same numbers are given and only different configurations will be described.
超音波送受波器３３は、気泡導入された酸化物系セラミック材料からなるスラリーあるいはアクリルボール等の多孔化材を添加した酸化物系セラミック材料からなるスラリー中にモノマーを溶解させ成形用型内に注入するゲルキャスティング法で成形したものを焼成して棒状に形成したセラミック多孔体の外殻表面に、所定の厚みになるように接着剤を塗布して封止手段を形成したのち、所定の形状にスライスして構成し、その上下端部を前記音響膜と前記接合手段で密封した構成としてある。 The ultrasonic transmitter / receiver 33 dissolves a monomer in a slurry made of an oxide ceramic material into which bubbles are introduced or an oxide ceramic material to which a porous material such as an acrylic ball is added, and puts the monomer in a molding die. After forming the sealing means by applying an adhesive to the surface of the outer shell of the ceramic porous body that has been molded by the gel casting method to be injected and formed into a rod shape, the sealing means is formed. The upper and lower end portions are sealed with the acoustic film and the joining means.
そして、棒状に形成したセラミック多孔体の外殻表面に、所定の厚みになるように接着剤を塗布して封止手段を形成したのち、所定の形状にスライスして構成してあるので、音響整合体と封止手段を一体化でき、一度に複数の音響整合体に封止手段を形成でき、封止手段の安定化をさせやすくできるとともに、工程の簡素化できる。 The sealing means is formed by applying an adhesive so as to have a predetermined thickness on the outer shell surface of the rod-shaped ceramic porous body, and then sliced into a predetermined shape. The matching body and the sealing means can be integrated, the sealing means can be formed on a plurality of acoustic matching bodies at a time, the sealing means can be easily stabilized, and the process can be simplified.
また、セラミック多孔体で形成された音響整合体を、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、その密度を小さくしても、スライス前より強度を保持している棒状態で、セラミック多孔体の外殻表面に、接着剤や塗料等を塗布して形成した封止手段で強度アップが図れ、スライス時の欠け等が防げるとともに、スライスしたものも、強度アップが図れるようになり、音響整合体の取扱いがしやすくなる。 In addition, in order to more efficiently transmit and receive ultrasonic waves, an acoustic matching body made of a ceramic porous body is in a rod state that retains strength from before the slice even if its density is reduced. The sealing means formed by applying adhesive or paint on the outer shell surface of the body can increase the strength, preventing chipping during slicing, and improving the strength of sliced products as well. The alignment body can be easily handled.
尚、ようにすることができ、その他各部の構成も本発明の目的を達成する範囲であればその構成はどのようなものであってもよい。 It should be noted that any other configuration may be used as long as the configuration of each of the other parts is within the scope of achieving the object of the present invention.
以上のように、本発明にかかる超音波送受波器およびそれを用いた流れ計測装置は、従来の脆く壊れやすいセラミック多孔体で形成された音響整合体に、音響膜と接合手段と封止手段で密封したものであるため、機械的強度が向上するとともに、温度変化、あるいは高温高湿下に放置に伴う音響整合体の結露をおさえ、結露による出力感度の低下を抑制することが可能となるので、外気にさらされるような自動車のバックソナー等の用途に適用できる。 As described above, the ultrasonic transducer according to the present invention and the flow measurement device using the ultrasonic transducer are combined with an acoustic film, a joining unit, and a sealing unit on an acoustic matching body formed of a conventional brittle and fragile ceramic porous body. Since it is sealed with, the mechanical strength is improved, and it is possible to suppress the decrease in output sensitivity due to dew condensation by suppressing the temperature change or dew condensation of the acoustic matching body when left under high temperature and high humidity. Therefore, it is applicable to uses such as automobile back sonar that is exposed to the outside air.
１ 超音波送受波器
２ 有天状のケース
４ 接合手段
５ セラミック多孔体
６ 音響整合体
７ 音響膜
８ 封止手段
９ 圧電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic transmitter / receiver 2 Tensile case 4 Joining means 5 Ceramic porous body 6 Acoustic matching body 7 Acoustic membrane
8 Sealing means 9 Piezoelectric material
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