JPH0879893A - 傾斜機能材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 原料粉末を粒径の大きさ順に積層し固化させ
た傾斜機能材特に超音波センサ探触子用背面材として有
用な傾斜機能材及びその製造方法を提供する。 【構成】 所定範囲の粒径をもつ金属粉末をその粒径に
応じて傾斜配列したことを特徴とする傾斜機能材を、所
定範囲の粒径をもつ金属粉末を焼結助材及び解膠分散剤
とともに均一に解膠分散すること、該解膠分散した金属
粉末をゾル状寒天溶液中へいれ金属粉末を粒径に応じて
分級すること、該寒天溶液をゲル化しこれを加圧脱水し
金属粉末分級圧縮体を形成すること、該金属粉末分級圧
縮体を焼結すること、よりなる形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原料粉末を粒径の大き
さ順に積層し固化させた傾斜機能材に関し、特に超音波
センサ探触子用背面材として有用な傾斜機能材及びその
製造方法に関する。より詳細には、超音波センサ探触子
の分解能を高めるための背面材及びその製造方法に関す
る。傾斜機能材は近年注目を集めている素材の一種であ
り、従来の素材では得られなかった複数の機能を同一素
材にて同時に満足させ得る素材のことを言う。例えば、
鉄系合金金属単体では耐熱温度が１，２００〜１，３０
０度Ｃ前後であり、しかも比重が大きいため重くなる反
面、延性や剛性に優れ、柔軟性がありまた衝撃に対して
も強い。一方、セラミックは耐熱温度が１，５００〜
１，６００度Ｃ前後であり、比重が小さいため軽いが、
大変脆く、衝撃に対しても弱い。しかるに、耐熱性が高
く衝撃にも強い素材を望む場合には、合金金属とセラミ
ックとの組合体の出現が当然考えられる。しかし、合金
金属とセラミックとを複合化させる方法として接合法や
溶射法が開発されているが、強度的に必ずしも満足出来
るものではない。そこで一端の表層は合金金属１００
％、他端の表層はセラミック１００％、中間部は段階的
に合金金属とセラミックとの比率を連続的に変化させて
行くと強度的に満足出来、しかも耐熱性及び耐衝撃性に
富む素材が出来るのである。即ち、２成分系の比率を傾
斜的に連続して変化させることにより、新しい機能を持
つ素材が得られるのである。これが傾斜機能材である。
なお、連続的に傾斜させる素材は２成分系に限定される
ものではなく１成分系の持つ物性値、例えば粒径を連続
的に傾斜させることにより、従来の同一成分系の素材で
は考えられなかった機能を発現することも期待出来る。
このような素材もまた傾斜機能材である。

【０００２】

【従来の技術】超音波センサにおいては検出感度と距離
分解能とが重視される。検出感度は振動子材料により決
定され、一方、距離分解能は振動子の自由振動の抑圧の
程度により左右されると言われている。背面材は振動子
の自由振動の抑圧の目的で使用されるが、振動子から発
せられた超音波は探傷対象物の方向に進行するだけでな
く、背面材の方向にも進行する。背面材に進行した超音
波は背面材の底面から反射波となり、分解能を低下させ
る原因となる。従って、背面材は超音波の減衰特性が大
きいことが理想とされている。

【０００３】しかしてこれまでは背面材としてエポキシ
樹脂にタングステンの微粉末を混合して固めたものが使
用されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
なエポキシ樹脂にタングステンの微粉末を混合して固め
た背面材においては、その減衰特性値が０．２１〜０．
３７ｄＢ／ｍｍ程度である。更に、エポキシ樹脂で固め
ているため、振動子との接合は接着剤で行われ、しか
も、接着剤やエポキシ樹脂の軟化温度以上の高温域では
使用不能となってしまう。

【０００５】超音波センサの測定精度を高めるため、検
出感度の優れた振動子の開発と共に分解能を高める減衰
特性の高い背面材料が求められている。また、高温域で
の使用目的のためには耐熱性の高い振動子及び背面材の
開発が必要である。更に、振動子と背面材料との、より
強力な接合が可能な背面材、例えば、ロウ着、拡散接合
や加圧接合法に適した背面材が必要である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上述のような種
々の課題を解決するために、耐熱性に富んだセラミック
スや金属粉末の焼結品である傾斜機能材を背面材として
利用しようとするものである。これらの焼結品である傾
斜機能材からなる背面材と振動子との接合はロウ着、拡
散接合や加圧接合等の公知の手段で可能である。しか
し、従来からある粉末冶金法やセラミックスの焼結方法
では、背面材全体が均一で緻密な焼結品が出来上がり、
減衰特性の低いものとなってしまう。そこで、減衰特性
の大きな、しかも接合性に優れた背面材の開発手段とし
て、広い粒度分布を持つ、例えば、０．２〜３００ミク
ロンのセラミックスや金属粉末を液体媒体中で沈降させ
ることにより、粉末は粒径の大きなものから小さいもの
へと順次積層される。この積層された粉末成型品を焼結
することにより、目的とする背面材として有用な傾斜機
能材が得られる。

【０００７】

【作用】広い粒度分布を有する粉末を液体媒体、例え
ば、アルコール、水、プロピレングリコール等の入った
容器の上端から静かに沈降させると、粒径の大きな粉末
粒子から粒径の小さな粉末粒子へと順次沈降して連続的
に分級され、粒径による連続傾斜体が得られる。連続傾
斜体の分級精度及び速度は液体媒体の粘性によって左右
される。即ち、粘性の高い媒体中では沈降速度は遅くな
り、分級精度は向上する。

【０００８】上述の液体媒体中で得られた連続傾斜体を
そのままの状態で取り出すことは極めて困難であるが、
媒体として、ゾル・ゲル可逆反応を示す固化材、例え
ば、天然多糖類である寒天の性質を利用すれば容易に取
り出すことが出来る。即ち、寒天は熱水に溶解してゾル
状態の液体となり、ゲル化点以上の温度で保温しておけ
ば、ゾル状態を維持している。また、溶解する濃度や保
持する温度によりゾルの粘性を自由に変えることが出来
る。このゾル状態の液体媒体中に広い粒度分布を有する
粉末材料を拡散させると、粒径の大きな粉末粒子から粒
径の小さな粉末粒子へと順次沈降して連続傾斜体とな
る。次に、ゾル状態の液体をゲル化点以下の温度まで冷
却すると、ゲル化して固化するため、容易に粒径による
連続傾斜体を取り出すことが出来る。

【０００９】寒天ゲルは圧力を加えることにより、保持
している水分を容易に分離し、圧縮体が得られる。上述
の連続傾斜体に単位平方センチメートル当たり３０〜５
０ｋｇの圧力を加えることにより圧縮された連続傾斜体
となり、圧力の保持時間により連続傾斜体の充填密度を
任意に変えることが出来る。

【００１０】この圧縮した連続傾斜体を公知の方法で焼
結すれば、粒径による連続傾斜した焼結体が得られる。
粉末粒子の焼結強度はその粒子の粒径と粒子同士の接触
状況によることは良く知られている。即ち、図１に示す
ような連続傾斜体を焼結した場合、小さな粒子の集合体
である一端は粒子間隙が小さく、粒子の比表面積は極め
て大きいため表面活性が高く、粒子同士の結合強度が高
くなり緻密となる。その一方、大きな粒子の集合体であ
る他端は粒子間隙が大きく、粒子の比表面積が小さいた
め、表面活性が低く、粒子同士の結合強度は低くなり、
いわゆるポーラスな状態となる。

【００１１】この連続傾斜結合体からなる背面体の緻密
な一端を振動子である圧電素子と接合することは容易に
行える。特に原料粉末が金属の背面材の場合、圧電素子
とのロウ着は容易である。一方、原料粉末がセラミック
スの背面材の場合、緻密な一端に無電解メッキ処理を施
してロウ着したり、拡散接合や圧接より背面材と圧電素
子との接合を行う。

【００１２】圧電素子から発せられた超音波パルスは接
合材や背面材の緻密な一端から入力され、超音波パルス
に由来するエネルギーで粒子が振動させられる。しか
し、圧電素子と背面材との接合面や緻密で微細な背面材
の一端にある粒子は強固に結合しているため、その振幅
はほとんど無視出来、超音波パルスは減衰しない。更に
進んだパルスは順次大きくなる粒子の結合強度の低下に
従い、粒子を振動させることにより、エネルギーを消耗
させながら伝搬して行く。背面材の解放された他端に到
達したパルスはそこで反射パルスとなるが、そのエネル
ギーは小さく減衰している。

【００１３】目的とする超音波センサの検出感度や分解
能に合わせて圧電素子の電気的容量、電気機械結合係
数、圧電素子の固有音響インピーダンス及び背面材の固
有インピーダンスが選択されるが、それと共に、背面材
の減衰特性も大きく影響する。それぞれの条件に合わせ
て、背面材を製造するための原料、粒径の範囲、粒径分
布、充填密度、焼結温度等の製造条件及び背面材の形状
を選択すれば良い。

【００１４】

【実施例】以下に示す（１）から（１０）の手順に従っ
て背面材を作成する。

【００１５】（１）０．２〜３００ミクロンの粒径を持
ち、８ｍｏｌ％のＹ₂Ｏ₃を焼結助材として含む部分安定
化ジルコニア粉末２４０ｇに２．５ｇの解膠・分解剤と
１００ｍｌの水を加えてボールミルで十分に解膠・分散
しておく。

【００１６】（２）図２に示すような、上部に解膠槽１
２を、下部に分級媒体槽１４を有し、双方の槽１２、１
４をシャッタ１６で仕切った傾斜機能材製造装置１０の
分級媒体槽１４に２ｗｔ％濃度の寒天ゾル溶液を満た
す。次いで、該分級媒体槽１４の周囲に配置されている
保温・冷却ジャケット１８に温水を通し、該分級媒体槽
１４を６０〜８０°Ｃの温度に保温し、分級槽１４と解
膠槽１２との間のシャッタ１６を閉じる。

【００１７】（３）解膠槽１２に前述のジルコニア粉末
の解膠・分散液を投入して大きな粒子のジルコニア粉末
が沈降しないよう十分に撹拌する。

【００１８】（４）解膠槽１２の撹拌装置を停止し、シ
ャッタ１６を矢印２０方向に引いて両槽間を完全に開い
て解膠槽１２内のジルコニア粉末の解膠・分散液を分級
媒体槽１４の寒天ゾル溶液と接触させ静置する。

【００１９】（５）分級槽１４に移ったジルコニア粉末
の解膠・分散液中の粒径の大きいものから順に下方に沈
降して分級媒体槽１４の底面へ積層する。この間、沈降
が終了するまで分級媒体槽の温度は６０〜８０度Ｃに保
持する。

【００２０】（６）沈降が終了した後、分級媒体槽１４
の保温・冷却ジャケット１８に冷却水を流して寒天溶液
をゲル化させる。

【００２１】（７）解膠槽１２と分級媒体槽１４の間の
シャッタ１６を再び閉じ、該分級媒体槽１４の床面を構
成している加圧シリンダ２２を押し上げ、徐々にその加
圧力を単位平方センチメートル当たり３０〜５０ｋｇま
で増大しながら加圧脱水を行って圧縮体を作る。該分級
媒体槽１４内にて脱水された水は当該分級媒体槽１４と
シャッタ１６又は加圧シリンダ２２との間から流出す
る。

【００２２】（８）解膠槽１２とシャッタ１６を取り除
いた後、加圧シリンダ２２を押し上げ所定の圧縮体を分
級媒体槽１４から取り出し、所定の形状に打ち抜いて成
型品を取り出す。

【００２３】（９）成型品を自然乾燥し、１，２００〜
１，６００度Ｃで１〜２時間保持して図１に示すような
焼結体とする。

【００２４】（１０）焼結体１の緻密な面を公知のダイ
ヤモンド砥石で研削仕上げを行って、所定の背面材とす
る。

【００２５】以上の方法で作成した背面材と、従来使用
されているタングステン粉末のエポキシ樹脂による固化
法で作成した背面材の減衰特性の比較を示すと以下の通
りである。

【００２６】

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、分解能を高めるための
減衰特性の高い背面材料に適切な傾斜機能材料を提供す
ることが出来る。これにより超音波センサの測定精度を
格段に高めることが可能となった。また本発明によれ
ば、広い粒度分布を有する粉末を液体媒体の入った容器
の上端から寒天媒体中へ静かに沈降させることにより粒
径の大きな粉末粒子から粒径の小さな粉末粒子へと順次
沈降して連続的に分級出来、極めて容易に粒径による連
続傾斜体が得られる。また寒天の温度を調節することに
より沈降速度を調節し、これにより分級精度を高めるこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本件発明により形成される粒径により
分級された連続粒径傾斜材料の模式図である。

【図２】 図２は本件発明の粒径により分級された連続
粒径傾斜材料を形成するための装置の断面図である。

【符号の説明】

１：傾斜機能材 １０：傾斜機能材製
造装置 １２：解膠槽 １４：分級媒体槽 １６：シャッタ １８：保温冷却ジャ
ケット ２２：加圧シリンダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｎ 29/24 Ｇ１０Ｋ 11/162 (72)発明者 中村 恭之 大阪府高槻市春日町１−16 (72)発明者 渡部 聰 神奈川県横浜市港北区太尾町1362の３番地

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定寸法範囲の粒径をもつ金属粉末及び
   セラミック粉末をその粒径に応じて傾斜配列したことを
   特徴とする傾斜機能材。
2. 【請求項２】 所定寸法範囲の粒径をもつ金属粉末及び
   セラミック粉末を焼結助材及び解膠分散剤とともに均一
   に解膠分散すること、該解膠分散した金属粉末をゾル状
   寒天溶液中へいれ金属粉末を粒径に応じて分級するこ
   と、該寒天溶液をゲル化しこれを加圧脱水し金属粉末分
   級圧縮体を形成すること、該金属粉末分級圧縮体を焼結
   すること、によりなる傾斜機能材形成方法。
3. 【請求項３】 超音波センサ探触子用背面材を構成する
   材料が０．２〜３００ミクロンの粒径を持つセラミック
   ス及び金属粉末よりなり、更に、この原料粉末が背面材
   の一端から他の一端へ粒径による傾斜機能を有した粒度
   分布を示し、この傾斜機能を有する原料粉末を固化させ
   た超音波センサ探触子用背面材。
4. 【請求項４】 超音波センサ探触子用背面材の原料粉末
   を、０．２〜３００ミクロンの粒径の大きさ順に沈降さ
   せるための適度な粘性及び原料粉末粒子同士を接着する
   機能を有する媒体中に拡散して粒径の大きさ順に沈降さ
   せ、その後、粒径の大きさ順に沈降させた原料粉末から
   余剰の媒体を取り除き、固化させた超音波センサ探触子
   用背面材の製造方法。
5. 【請求項５】 超音波センサ探触子用背面材の０．２〜
   ３００ミクロンの原料粉末を一定の粒度範囲別に分級
   し、分級された原料粉末を粉末粒子同士を接着する機能
   を有するバインダーと混練し、その後、バインダーと混
   練された原料粉末を粒径順に積層し、固化せしめた超音
   波センサ探触子用背面材の製造方法。