【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用する流量計測装置や距離計測装置などに使用される超音波送受波器に装着され、超音波受発信手段と流体との音響インピーダンスの整合をとる音響整合部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波を利用して気体や液体などの流体の流量を測定する流量計測装置や物体との距離を測定する距離計測装置などに、超音波送受波器が使用されている。
【０００３】
図４に示すように、超音波送受波器１００は、音響整合部材１０１と圧電素子１０２とをケース１０３に配して構成されるものであり、音響整合部材１０１は、超音波を効率的に流体や圧電素子１０２に伝播させるためのものであるため、音響インピーダンスが低いことが求められる。
【０００４】
物体の音響インピーダンスは（密度×音速）で求められる。空気中の音響インピーダンスは約４２８ｋｇ／ｍ２ｓ、超音波を発生する圧電振動子の音響インピーダンスは約３０×１０６ｋｇ／ｍ２ｓである。したがって圧電振動子から空気中へ超音波を放射する場合には、両者の音響インピーダンスの差異による音の反射が発生し、音の放射効率が低下する。これを改善するために用いられるのが音響整合部材であり、低い音響インピーダンスを実現するために、密度が小さく、かつ、音速が遅い材料で構成することが要求される。
【０００５】
このため、図示した音響整合部材１０１は、低密度化のために樹脂材１０４にマイクロバルーン（ガラス製中空球体）１０５を混合して構成されている。さらに低密度を実現するために、遠心分離を行って密度の小さい部分、すなわちマイクロバルーンの含有率の高い部分を使用することも提案された（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
図５に示すように、他の音響整合部材１０６として、波形状の立体構造部分を有した板状構造体１０７を集合することで、空間を形成し、音響インピーダンスを低下させる構成も提案された（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６３−１０３９９４号公報（第１頁）
【０００８】
【特許文献２】
特開２００１−３４６２９６号公報（第１頁）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載されたような、マイクロバルーン１０５を樹脂材１０４に混合した音響整合部材１０１では、樹脂材１０４の粘性やマイクロバルーン１０５の粒度分布の影響によって、音響インピーダンスが不均一になるという問題があった。
【００１０】
また、特許文献２に記載されたような、板状構造体１０７の集合体たる音響整合部材１０６では、波形状の立体構造部分どうしを位置合わせし、その微小な接触点で接合するのが容易でないという問題があった。
【００１１】
本発明は上記問題を解決するもので、所望の音響インピーダンス分布を有する音響整合部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、超音波受発信手段と超音波通過流体との音響インピーダンスの整合をとる音響整合部材を、複数個の空孔がレーザにより所定のパターンで形成された複数枚の樹脂板を積層してなる構成とした。
【００１３】
これによれば、空孔が形成された樹脂板を積層したものであるため、音響整合部材の密度は小さく、低い音響インピーダンスを実現できる。また、任意の位置に空孔が形成された樹脂板を任意の順序で積層して構成できるため、音響整合部材全体として、樹脂板の積層方向およびそれと交わる方向に任意の空孔分布を実現でき、任意の音響インピーダンス分布を持たせることができる。空孔は貫通孔であってもよいし、非貫通孔（すなわち凹部）であってもよい。空孔はレーザにより形成されるので、加工精度の高いものとなる。
【００１４】
好ましくは、超音波放出面側の空孔率が大きくなるように複数枚の樹脂板が加工され、積層されたものとする。これによれば、超音波放出面側で音響インピーダンスが低くなり、流体との整合性が向上する。
【００１５】
また好ましくは、樹脂板として、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、またはガラス繊維補強されたエポキシ樹脂を用いる。これらの樹脂であれば、レーザ加工の際の熱影響が特に少ない。
【００１６】
また本発明は、超音波受発信手段と超音波通過流体との音響インピーダンスの整合をとる音響整合部材を製造する際に、複数枚の樹脂板のそれぞれにレーザを用いて複数個の空孔を所定のパターンで形成する空孔形成工程と、前記複数枚の樹脂板に接着剤を塗布する塗布工程と、前記複数枚の樹脂板を積層する積層工程と、前記接着剤を硬化させる硬化工程と、前記積層された樹脂板を接着剤の硬化後に所定の形状に切断する切断工程とをこの順に行なうようにした。これによれば、任意の音響インピーダンス分布を持った音響整合部材を均質に製造できる。
【００１７】
好ましくは、少なくとも２枚の樹脂板のそれぞれに複数個の空孔を互いに異なる空孔率で形成し、これら樹脂板を超音波放出面側の空孔率が大きくなるように積層する。これにより、超音波放出面側で音響インピーダンスを低くし、流体との整合性を向上させることができる。
【００１８】
また好ましくは、樹脂板として、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、またはガラス繊維補強されたエポキシ樹脂を使用する。これらの樹脂であれば、レーザ加工の際の熱影響が特に少ない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態における音響整合部材の断面図である。この音響整合部材は、超音波受発信手段と超音波通過流体との音響インピーダンスの整合をとるもので、先に図４を用いて説明した従来のものと同様に使用される。
【００２０】
図１に示すように、音響整合部材１には、複数の空孔部２が形成されている。詳細には、音響整合部材１は、図２に示すような、複数の空孔部２がレーザにより所定のパターンで形成されたポリイミド樹脂製の樹脂板３を、複数枚、積層して構成されている。空孔部２は、貫通孔２ａおよび非貫通孔（すなわち凹部）２ｂである。
【００２１】
音響整合部材１の製造にあたっては、積層することで所定の厚さ、例えば送受波される超音波の４分の１波長を実現するのに適切な厚さ、となる複数枚の樹脂板３を準備する。
【００２２】
そして、これら複数枚の樹脂板３のそれぞれに、レーザを照射し、炭化部分を除去することにより、複数の空孔部２を形成する。
次いで、これらの樹脂板３を、互いに上下に対向配置される対向面に熱硬化性樹脂製接着剤４を転写したうえで、積層する。
【００２３】
次いで、積層した樹脂板３を熱処理して接着剤４を硬化させた後、所定の形状に切断して音響整合部材１とする。
かかる構成の音響整合部材１は、積層する樹脂板３毎に空孔率を変化させることができるため、積層方向の空孔率を任意に設定でき、たとえば超音波放出面側（図１，図２では上部）の空孔率を大きくすることで、超音波の送受波に好適な音響インピーダンス分布を得ることができる。
【００２４】
また音響整合部材１は、各樹脂板３内で任意の位置に空孔部２を形成できるため、各樹脂板３に沿う方向の空孔率を任意に設定でき、前記方向に任意の音響インピーダンス分布を持たせることができる。
【００２５】
よって、音響整合部材１における超音波の空間分布を任意に調整できる。
なお、空孔部２は、低密度化のためには図３に示すようにほぼ最密に形成されることが望ましく、たとえば空間的に均質化されたＹＡＧ第３高調波を用いて、直径５０〜５５μｍ程度、間隔６０μｍとなるように形成される。しかし当然ながら、空孔部２の面積割合は所望の音響インピーダンスに応じて決定され、空孔部２の形状および配置も所望の音響インピーダンスの空間分布に応じて任意に選択される。
【００２６】
樹脂板３の厚さは、樹脂板３中を伝播する超音波の波長に相応して十分に薄いことが望ましく、たとえば圧電素子の振動数が５００ｋＨｚの場合には樹脂板３中での超音波の波長は４ｍｍ程度となるので、厚さ４０〜１００μｍ程度の樹脂板３を好適に使用できる。
【００２７】
樹脂板３どうしを接合する接着剤４の厚みは十分に薄いことが望ましく、５〜２５μｍ程度が好ましい。
加工用のレーザとしては、たとえばＮｄ：ＹＡＧ第３高調波を用いることができるが、樹脂板３を熱影響少なく加工できるレーザであればよく、Ｎｄ：ＹＡＧ第４高調波やエキシマレーザ等を用いてもよい。
【００２８】
同様に、樹脂板３も熱影響少なくレーザ加工できるものであればよく、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ガラス繊維補強されたエポキシ樹脂などを使用できる。なかでもガラス繊維強化されたエポキシ樹脂を用いることで、ピーク出力を上げたＣＯ２レーザでの精密加工が可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数の空孔を形成した樹脂板を積層することで、所望の音響インピーダンス分布を持つ音響整合部材を均質に、かつ容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における音響整合部材の断面図
【図２】図１の音響整合部材を構成する樹脂板の断面図
【図３】図１の音響整合部材を構成する樹脂板の平面図
【図４】従来の音響整合部材を配した超音波送受波器の断面図
【図５】従来の他の音響整合部材の斜視図
【符号の説明】
１ 音響整合部材
２ 空孔部
３ 樹脂板
４ 接着剤[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an acoustic matching member mounted on an ultrasonic transducer used for a flow measuring device or a distance measuring device using ultrasonic waves, and for matching acoustic impedance between an ultrasonic transmitting / receiving means and a fluid. It is.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic transducer is used for a flow rate measuring device that measures a flow rate of a fluid such as a gas or a liquid using an ultrasonic wave, a distance measuring device that measures a distance to an object, and the like.
[0003]
As shown in FIG. 4, the ultrasonic transducer 100 is configured by arranging an acoustic matching member 101 and a piezoelectric element 102 in a case 103, and the acoustic matching member 101 efficiently transmits ultrasonic waves. It is required to have a low acoustic impedance because it is to be propagated to a fluid or the piezoelectric element 102.
[0004]
The acoustic impedance of an object is determined by (density x sound speed). Acoustic impedance in air is about 428kg / m 2 s, the acoustic impedance of the piezoelectric vibrator for generating ultrasonic waves is about 30 × 10 6 kg / m 2 s. Therefore, when ultrasonic waves are radiated from the piezoelectric vibrator into the air, sound reflection occurs due to the difference in acoustic impedance between the two, and the sound radiation efficiency decreases. To improve this, an acoustic matching member is used, and in order to realize a low acoustic impedance, it is required to be made of a material having a low density and a low sound speed.
[0005]
Therefore, the illustrated acoustic matching member 101 is configured by mixing microballoons (hollow spheres made of glass) 105 with a resin material 104 to reduce the density. In order to further achieve a low density, it has been proposed to perform centrifugal separation to use a portion having a low density, that is, a portion having a high content of microballoons (for example, see Patent Document 1).
[0006]
As shown in FIG. 5, a configuration in which a space is formed by lowering acoustic impedance by assembling a plate-like structure 107 having a corrugated three-dimensional structure portion as another acoustic matching member 106 has also been proposed. (For example, see Patent Document 2).
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-63-103994 (page 1)
[0008]
[Patent Document 2]
JP 2001-346296 A (page 1)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the acoustic matching member 101 in which the microballoon 105 is mixed with the resin material 104 as described in Patent Document 1, the acoustic impedance becomes uneven due to the influence of the viscosity of the resin material 104 and the particle size distribution of the microballoon 105. There was a problem of becoming.
[0010]
Further, in the acoustic matching member 106 which is an aggregate of the plate-like structures 107 as described in Patent Document 2, it is easy to align the corrugated three-dimensional structure parts and join them at the minute contact points. There was a problem that was not.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide an acoustic matching member having a desired acoustic impedance distribution and a method of manufacturing the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides an acoustic matching member for matching acoustic impedance between an ultrasonic wave transmitting / receiving means and an ultrasonic passage fluid, a plurality of holes each having a plurality of holes formed in a predetermined pattern by a laser. It was configured such that two resin plates were laminated.
[0013]
According to this, since the resin plates in which the holes are formed are laminated, the density of the acoustic matching member is small, and a low acoustic impedance can be realized. In addition, since resin sheets having holes formed at arbitrary positions can be laminated in any order, it is possible to realize an arbitrary hole distribution in the direction of lamination of the resin plates and the direction intersecting with the resin plate as a whole acoustic matching member. , Can have an arbitrary acoustic impedance distribution. The holes may be through holes or non-through holes (ie, recesses). Since the holes are formed by the laser, the processing accuracy is high.
[0014]
Preferably, a plurality of resin plates are processed and laminated so that the porosity on the ultrasonic emission surface side is increased. According to this, the acoustic impedance is reduced on the ultrasonic emission surface side, and the matching with the fluid is improved.
[0015]
Preferably, a polyimide resin, an epoxy resin, or an epoxy resin reinforced with glass fiber is used as the resin plate. With these resins, the heat effect during laser processing is particularly small.
[0016]
The present invention also provides a method of manufacturing an acoustic matching member for matching acoustic impedance between an ultrasonic wave transmitting / receiving means and an ultrasonic wave passing fluid, wherein a plurality of holes are formed by using a laser on each of a plurality of resin plates. A hole forming step of forming a predetermined pattern, an applying step of applying an adhesive to the plurality of resin plates, a laminating step of stacking the plurality of resin plates, and a curing step of curing the adhesive And a cutting step of cutting the laminated resin plate into a predetermined shape after curing the adhesive. According to this, an acoustic matching member having an arbitrary acoustic impedance distribution can be manufactured homogeneously.
[0017]
Preferably, a plurality of holes are formed in each of at least two resin plates with different porosity, and these resin plates are laminated so that the porosity on the ultrasonic emission surface side is increased. This makes it possible to lower the acoustic impedance on the ultrasonic emission surface side and improve the matching with the fluid.
[0018]
Preferably, a polyimide resin, an epoxy resin, or an epoxy resin reinforced with glass fiber is used as the resin plate. With these resins, the heat effect during laser processing is particularly small.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view of an acoustic matching member according to an embodiment of the present invention. This acoustic matching member matches the acoustic impedance of the ultrasonic wave transmitting / receiving means and the ultrasonic wave passing fluid, and is used in the same manner as the conventional one described with reference to FIG.
[0020]
As shown in FIG. 1, a plurality of holes 2 are formed in the acoustic matching member 1. Specifically, the acoustic matching member 1 is configured by laminating a plurality of resin plates 3 made of polyimide resin in which a plurality of holes 2 are formed in a predetermined pattern by a laser, as shown in FIG. ing. The holes 2 are a through hole 2a and a non-through hole (that is, a concave portion) 2b.
[0021]
In manufacturing the acoustic matching member 1, a plurality of resin plates 3 having a predetermined thickness by lamination, for example, an appropriate thickness for realizing a quarter wavelength of transmitted / received ultrasonic waves are obtained. prepare.
[0022]
Then, a laser is applied to each of the plurality of resin plates 3 to remove a carbonized portion, thereby forming a plurality of holes 2.
Next, the resin plates 3 are laminated after the thermosetting resin adhesive 4 is transferred to opposing surfaces which are arranged to face each other up and down.
[0023]
Next, after the laminated resin plate 3 is heat-treated to cure the adhesive 4, it is cut into a predetermined shape to obtain the acoustic matching member 1.
In the acoustic matching member 1 having such a configuration, the porosity can be changed for each resin plate 3 to be laminated, so that the porosity in the laminating direction can be set arbitrarily. By increasing the porosity of (upper part in FIG. 2), it is possible to obtain an acoustic impedance distribution suitable for transmitting and receiving ultrasonic waves.
[0024]
In addition, since the acoustic matching member 1 can form the porosity 2 at any position in each resin plate 3, the porosity in the direction along each resin plate 3 can be set arbitrarily, and any acoustic impedance in the direction can be set. It can have a distribution.
[0025]
Therefore, the spatial distribution of the ultrasonic waves in the acoustic matching member 1 can be arbitrarily adjusted.
In order to reduce the density, the holes 2 are desirably formed almost in the closest density as shown in FIG. 3. For example, the diameter of the holes 2 is determined by using a spatially homogenized YAG third harmonic. It is formed to have an interval of about 50 to 55 μm and an interval of 60 μm. However, naturally, the area ratio of the holes 2 is determined according to the desired acoustic impedance, and the shape and arrangement of the holes 2 are arbitrarily selected according to the spatial distribution of the desired acoustic impedance.
[0026]
It is desirable that the thickness of the resin plate 3 is sufficiently small in accordance with the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the resin plate 3. For example, when the frequency of the piezoelectric element is 500 kHz, the ultrasonic wave Is about 4 mm, so that a resin plate 3 having a thickness of about 40 to 100 μm can be suitably used.
[0027]
The thickness of the adhesive 4 for joining the resin plates 3 is desirably sufficiently small, and preferably about 5 to 25 μm.
As the processing laser, for example, the third harmonic of Nd: YAG can be used, but any laser capable of processing the resin plate 3 with little thermal effect may be used, and the fourth harmonic of Nd: YAG, excimer laser, or the like may be used. You may.
[0028]
Similarly, the resin plate 3 only needs to be one that can be laser-processed with little thermal effect, and a polyimide resin, an epoxy resin, an epoxy resin reinforced with glass fiber, or the like can be used. Above all, by using an epoxy resin reinforced with glass fiber, precise processing with a CO 2 laser with an increased peak output becomes possible.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an acoustic matching member having a desired acoustic impedance distribution can be uniformly and easily obtained by laminating resin plates having a plurality of holes formed therein.
[Brief description of the drawings]
1 is a sectional view of an acoustic matching member according to an embodiment of the present invention; FIG. 2 is a sectional view of a resin plate constituting the acoustic matching member of FIG. 1; FIG. 3 is a resin plate constituting an acoustic matching member of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer provided with a conventional acoustic matching member. FIG. 5 is a perspective view of another conventional acoustic matching member.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Acoustic matching member 2 Hole 3 Resin plate 4 Adhesive
