CN114208211B - 超声波传感器 - Google Patents
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Abstract
将压电元件(7)、第一声匹配层(2)和第二声匹配层(5)层叠并接合而成的超声波传感器(1)中，压电元件(7)的接合面为长方形。对于与压电元件(7)相邻的第一声匹配层(2)而言，使用从第一声匹配层(2)的厚度方向注入的热塑性树脂，使该热塑性树脂的流动方向与压电元件(7)的长轴方向一致，并将压电元件(7)与第一声匹配层(2)接合。通过该构成，提供热冲击等温度特性优异的超声波传感器(1)。
Description
技术领域
本公开主要涉及进行超声波的发送和接收的超声波传感器。
背景技术
若不同的物质间的声阻抗(各物质的密度与声速的乘积)的差异小，则超声波会透过两物质的界面而传播，但在声阻抗差大时，与传播相比，在界面进行反射的比例会升高。因此，随着声阻抗的差异变小，能量传播高效地进行。
然而，超声波传感器中使用的压电元件通常由陶瓷(密度和声速高)构成，使超声波传播的对象即空气等气体的密度和声速大幅小于陶瓷的密度和声速。因此，从压电元件向气体的能量传播效率变得非常低。
为了解决该问题，采用了如下对策：使声阻抗小于压电元件、且声阻抗大于气体的声匹配层夹设于压电元件与气体之间，从而提高能量传播效率。
从声阻抗的观点出发，为了从压电元件经声匹配层向气体传播超声波，效率变得最高的情况下，为满足下式的情况，
Z22＝Z1×Z3···(1)。
此处，Z1：压电元件的声阻抗、Z2：声匹配层的声阻抗、Z3：气体的声阻抗。
进而，为了使压电元件中产生的超声波高效率地向气体传播，需要在声匹配层传播的超声波的能量损失抑制为较低。在声匹配层的内部传播的超声波的能量损耗的主要原因为声匹配层发生塑性变形并以热的形式耗散。因此，声匹配层中使用的物质为高弹性成为条件。
然而，根据式(1)判断，为了声匹配层的声阻抗Z2接近于气体的声阻抗Z3，需要降低声阻抗。表现低声阻抗的物质为低声速、低密度，通常大多为容易变形的物质，不适于声匹配层。具体而言，固体的压电元件与气体的声阻抗相差5位数左右，为了满足式(1)，需要使声匹配层的声阻抗比压电元件的声阻抗低3位数左右。
因此，正在研究通过使用二层声匹配层，使超声波高效率地传播。将与气体接触、并释放超声波的声匹配层定义为第二声匹配层，将与压电元件接触的声匹配层定义为第一声匹配层时，为了从压电元件经声匹配层向气体传播超声波，效率变得最高的情况下，根据式(1)，满足下述情况：
Z22＝Z1×Z3
Z32＝Z2×Z4。
此处，Z1：压电元件的声阻抗、Z2：第一声匹配层的声阻抗、Z3：第二声匹配层的声阻抗、Z4：气体的声阻抗。
为了实现低声阻抗和高传播效率，使超声波传递至气体的第二声匹配层期望非常轻量且硬质的材质，一直使用弹性较高的发泡树脂(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-61209号公报
发明内容
专利文献1中，为了提高超声波传感器的特性，使用树脂材料作为第一声匹配层，使用发泡树脂材料作为第二声匹配层。第一声匹配层为树脂材料，与由金属等无机材料构成的传感器壳体的膨胀率差非常大，因此温度变化会导致粘接界面发生剥离，有超声波传感器的可靠性特性降低的问题。作为对策，在环氧树脂等热固性材料中高填充玻璃球(glass balloon)等中空填料，由此对第一声匹配层进行密度控制，并通过使树脂比例减少来设为低热膨胀，其结果，解决了粘接问题。
该方法中，用于得到第一声匹配层的环氧树脂的密度为1g/cm3左右，但通过使中空填料大量地分散，能够得到低于1g/cm3的密度。然而，为了传感器特性的进一步提高而在上部层叠第二声匹配层时，在需要大于1g/cm3的密度设计的情况下，会变得非常困难。
本公开提供一种超声波传感器，其通过密度大于1g/cm3的第一声匹配层，在确保粘接性的基础上，兼顾优异的传感器特性和耐久性。
本公开的超声波传感器的特征在于，其由压电元件和多个声匹配层构成，所述声匹配层包含与该压电元件层叠并接合的第一声匹配层，与压电元件相邻的第一声匹配层包含热塑性树脂，该热塑性树脂从第一声匹配层的厚度方向注入。通过该构成，可以实现超声波传感器的性能提高。
通过本公开，第一声匹配层包含从第一声匹配层的厚度方向注入的热塑性树脂，由此可以使流动方向的热膨胀率降低。此外，通过使该流动方向与压电元件的长轴方向一致并粘接，可以降低热冲击等温度变化过程中产生的对压电元件施加的应力，可以提供特性优异的超声波传感器。
附图说明
图1为实施方式中的超声波传感器的截面示意图。
图2为示出实施方式中的超声波传感器的压电元件与第一声匹配层的接合方向的俯视图。
具体实施方式
以下，边参照附图，边对本公开的超声波传感器的实施方式进行详细说明。需要说明的是，本公开并不被本实施方式限定。
(实施方式)
图1为实施方式中的超声波传感器的截面图。超声波传感器1由压电元件7和多个声匹配层构成，所述声匹配层包含与压电元件7层叠并接合的第一声匹配层2。本实施方式中，具备第一声匹配层2、第二声匹配层5和压电元件7。压电元件7由压电陶瓷构成，并在厚度方向极化。压电元件7被接合于有底筒状的金属壳体6的顶板6a的内侧。另外，压电元件7是与顶板6a的接合面为长方形的长方体。
在压电元件7的两面构成的电极7a、7b内，一侧的电极7a通过与压电元件7连接的布线8a引出，另一侧的电极7b借助金属壳体6并通过布线8b引出。第一声匹配层2由外壳(skin)部3和芯部4构成，并与金属壳体6的顶板6a的外表面接合，进而，第二声匹配层5与第一声匹配层2粘接。
作为适于本公开中的第一声匹配层2的材料，考虑到第二声匹配层5、声阻抗匹配、内部损耗的降低，密度必须为1.0g/cm3以上且1.5g/cm3以下。进而，为了减轻热膨胀率的差引起的接合界面的剥离、对压电元件7施加的应力，必须使贴合中的第一声匹配层2的成型树脂的流动方向与形成为长方体的压电元件7的长轴方向(热膨胀大的方向)平行。为了满足这些条件，需要沿厚度方向进行第一声匹配层2的成型，并以使从第一声匹配层2中的注入口的流动方向与压电元件7的长轴方向平行的方式进行粘接固定。
需要说明的是，本实施方式中，在压电元件7和第一声匹配层2之间夹设有金属壳体6，但压电元件7与金属壳体6的热膨胀率差大致相同，因此包括没有金属壳体6的情况在内，对压电元件7和第一声匹配层2的关系进行说明。
图2示出在金属壳体6贴合有压电元件7及第一声匹配层2的状态的俯视图。此处，第一声匹配层2如图1所示，由外壳部3和芯部4形成，示出了使外壳部3上产生的由箭头9所示的树脂的流动方向与压电元件7的长轴方向一致的状态。
作为第一声匹配层2的材料，需要在成型时产生基于树脂流动的取向状态的成形材料。在该成型时，从第一声匹配层2的厚度方向注入树脂，可以得到具有流动方向的成形体。可举出例如硬质聚氨酯树脂、PPS树脂、POM树脂、ABS树脂、液晶聚合物、PS树脂等树脂。另外，为了调节密度，可以混合玻璃布、中空填料，从而能够调节材料的密度。在玻璃布、中空填料的情况下，与粘接剂的粘接性增强，因此能够得到牢固的接合。作为中空填料，可举出由玻璃、陶瓷、树脂形成的中空球。
另外，作为适于第二声匹配层5的材料，考虑到气体与压电元件的声阻抗匹配，可举出由闭孔结构的发泡树脂形成的、具有具备多个孔部和与其相邻的壁部的构成的硬质树脂发泡体。作为硬质树脂发泡体的例子，可举出硬质丙烯酸类发泡体、硬质聚氯乙烯发泡体、硬质聚丙烯发泡体、硬质聚甲基丙烯酰亚胺发泡体、硬质聚氨酯发泡体。
作为硬质丙烯酸类发泡体的例子，有积水化成品工业株式会社的FOAMAC(注册商标)出售，作为硬质聚氯乙烯发泡体的例子，有JFC株式会社的NAVICEL(注册商标)出售，作为硬质聚丙烯发泡体的例子，有积水化学株式会社的Zetron(注册商标)出售，作为硬质聚甲基丙烯酰亚胺发泡体的例子，有Daicel-Evonik Ltd.的ROHACELL(注册商标)等出售。
本实施方式的超声波传感器例如可以通过以下的步骤制造。
首先，准备金属壳体6、压电元件7、第一声匹配层2、及第二声匹配层5。事先以具有期望厚度的方式加工第一声匹配层2及第二声匹配层5。用粘接剂等在金属壳体6的顶板的内表面粘贴压电元件7。另外，在顶板的外表面粘贴第一声匹配层2，进而在第一声匹配层2上粘贴第二声匹配层5。之后，在压电元件7及金属壳体6上进行布线8a、8b的连接，由此完成超声波传感器。
(实施例)
以下，制作实施方式的超声波传感器，研究特性并对结果进行说明。
1.试样的制作
(第1实施例)
本实施方式中，如下所述进行超声波传感器1的制作。
作为压电元件7，使用厚度2.65mm、长轴方向7.4mm、短轴方向3.55mm的长方体状的钛酸锆酸铅。该压电元件7在长轴方向具有槽。作为粘接剂，使用常温下为液状、并通过加热进行固化的环氧系的粘接剂。作为金属壳体6，使用由厚度0.2mm的SUS304形成者。作为第二声匹配层5，使用聚甲基丙烯酰亚胺发泡树脂。使用加工成密度为0.07g/cm3、尺寸为直径10mm、厚度0.75mm的圆板状的材料。
作为第一声匹配层2，在低密度部分使用以玻璃为原料的中空填料，在高密度部分使用混合有玻璃纤维的液晶聚合物。使用该材料的成型过程中，从第一声匹配层2的厚度方向注入树脂，由此成形为厚度1.0mm、直径10mm的圆板状。需要说明的是，该材料的密度为1.0g/cm3。需要说明的是，表面露出填充有中空填料的树脂层，并具有源自中空填料的直径50μm的孔结构。通过使压电元件7的长轴方向与第一声匹配层2的树脂注入方向平行，实施与金属壳体6的贴合。
(第2实施例)
本实施方式中，如下所述进行超声波传感器1的制作。
作为压电元件7，使用厚度2.65mm、长轴方向7.4mm、短轴方向3.55mm的长方体状的钛酸锆酸铅。该压电元件7在长轴方向具有槽。作为粘接剂，使用常温下为液状、并通过加热进行固化的环氧系的粘接剂。作为金属壳体6，使用由厚度0.2mm的SUS304形成者。作为第二声匹配层5，使用聚甲基丙烯酰亚胺发泡树脂。使用加工成密度为0.07g/cm3、尺寸为直径10mm、厚度0.75mm的圆板状的材料。
作为第一声匹配层2，在低密度部分使用以玻璃为原料的中空填料，在高密度部分使用混合有玻璃纤维的液晶聚合物。使用该材料的成型过程中，从第一声匹配层2的厚度方向注入树脂，由此成形为厚度1.0mm、直径10mm的圆板状。需要说明的是，该材料的密度为1.2g/cm3。需要说明的是，表面露出填充有中空填料的树脂层，并具有源自中空填料的直径50μm的孔结构。通过使压电元件7的长轴方向与第一声匹配层2的树脂注入方向平行，实施与金属壳体6的贴合。
(第3实施例)
本实施方式中，如下所述进行超声波传感器1的制作。
作为压电元件7，使用厚度2.65mm、长轴方向7.4mm、短轴方向3.55mm的长方体状的钛酸锆酸铅。该压电元件7在长轴方向具有槽。作为粘接剂，使用常温下为液状、并通过加热进行固化的环氧系的粘接剂。作为金属壳体6，使用由厚度0.2mm的SUS304形成者。作为第二声匹配层5，使用聚甲基丙烯酰亚胺发泡树脂。使用加工成密度为0.07g/cm3、尺寸为直径10mm、厚度0.75mm的圆板状的材料。
作为第一声匹配层2，在低密度部分使用以玻璃为原料的中空填料，在高密度部分使用混合有玻璃纤维的液晶聚合物。使用该材料的成型过程中，从第一声匹配层2的厚度方向注入树脂，由此成形为厚度1.0mm、直径10mm的圆板状。需要说明的是，该材料的密度为1.5g/cm3。需要说明的是，表面露出填充有中空填料的树脂层，并具有源自中空填料的直径50μm的孔结构。通过使压电元件7的长轴方向与第一声匹配层2的树脂注入方向平行，实施与金属壳体6的贴合。
(第1比较例)
本实施方式中，如下所述进行超声波传感器1的制作。
作为压电元件7，使用厚度2.65mm、长轴方向7.4mm、短轴方向3.55mm的长方体状的钛酸锆酸铅。该压电元件7在长轴方向具有槽。作为粘接剂，使用常温下为液状、并通过加热进行固化的环氧系的粘接剂。作为金属壳体6，使用由厚度0.2mm的SUS304形成者。作为第二声匹配层5，使用聚甲基丙烯酰亚胺发泡树脂。使用加工成密度为0.07g/cm3、尺寸为直径10mm、厚度0.75mm的圆板状的材料。
作为第一声匹配层2，在低密度部分使用以玻璃为原料的中空填料，在高密度部分使用混合有玻璃纤维的液晶聚合物。使用该材料的成型过程中，从第一声匹配层2的厚度方向注入树脂，由此成形为厚度1.0mm、直径10mm的圆板状。需要说明的是，该材料的密度为1.0g/cm3。需要说明的是，表面露出填充有中空填料的树脂层，并具有源自中空填料的直径50μm的孔结构。使压电元件7的长轴方向和第一声匹配层2的树脂注入方向旋转90°，实施与金属壳体6的贴合。
(第2比较例)
本实施方式中，如下所述进行超声波传感器1的制作。
作为压电元件7，使用厚度2.65mm、长轴方向7.4mm、短轴方向3.55mm的长方体状的钛酸锆酸铅。该压电元件7在长轴方向具有槽。作为粘接剂，使用常温下为液状、并通过加热进行固化的环氧系的粘接剂。作为金属壳体6，使用由厚度0.2mm的SUS304形成者。作为第二声匹配层5，使用聚甲基丙烯酰亚胺发泡树脂。使用加工成密度为0.07g/cm3、尺寸为直径10mm、厚度0.75mm的圆板状的材料。
作为第一声匹配层2，在低密度部分使用以玻璃为原料的中空填料，在高密度部分使用混合有玻璃纤维的液晶聚合物。使用该材料的成型过程中，从第一声匹配层2的厚度方向注入树脂，由此成形为厚度1.0mm、直径10mm的圆板状。需要说明的是，该材料的密度为1.2g/cm3。需要说明的是，表面露出填充有中空填料的树脂层，并具有源自中空填料的直径50μm的孔结构。使压电元件7的长轴方向和第一声匹配层2的树脂注入方向旋转90°，实施与金属壳体6的贴合。
(第3比较例)
本实施方式中，如下所述进行超声波传感器1的制作。
作为压电元件7，使用厚度2.65mm、长轴方向7.4mm、短轴方向3.55mm的长方体状的钛酸锆酸铅。该压电元件7在长轴方向具有槽。作为粘接剂，使用常温下为液状、并通过加热进行固化的环氧系的粘接剂。作为金属壳体6，使用由厚度0.2mm的SUS304形成者。作为第二声匹配层5，使用聚甲基丙烯酰亚胺发泡树脂。使用加工成密度为0.07g/cm3、尺寸为直径10mm、厚度0.75mm的圆板状的材料。
作为第一声匹配层2，在低密度部分使用以玻璃为原料的中空填料，在高密度部分使用混合有玻璃纤维的液晶聚合物。使用该材料的成型过程中，从第一声匹配层2的厚度方向注入树脂，由此成形为厚度1.0mm、直径10mm的圆板状。需要说明的是，该材料的密度为1.5g/cm3。需要说明的是，表面露出填充有中空填料的树脂层，并具有源自中空填料的直径50μm的孔结构。使压电元件7的长轴方向和第一声匹配层2的树脂注入方向旋转90°，实施与金属壳体6的贴合。
(第4比较例)
第1实施方式中，如下所述进行超声波传感器1的制作。
作为压电元件7，使用厚度2.65mm、长轴方向7.4mm、短轴方向3.55mm的长方体状的钛酸锆酸铅。该压电元件7在长轴方向具有槽。作为粘接剂，使用常温下为液状、并通过加热进行固化的环氧系的粘接剂。作为金属壳体6，使用由厚度0.2mm的SUS304形成者。作为第二声匹配层5，使用聚甲基丙烯酰亚胺发泡树脂。使用加工成密度为0.07g/cm3、尺寸为直径10mm、厚度0.75mm的圆板状的材料。
作为第一声匹配层2，使用玻璃球填充环氧树脂，所述玻璃球填充环氧树脂为填充有以玻璃为原料的中空填料的环氧树脂。该材料的密度为0.5g/cm3，加工为厚度1.0mm、直径10mm的圆板状并使用。需要说明的是，表面具有源自中空填料的直径50μm的孔结构。
2.特性的评价
测定制作的各超声波传感器1的特性。测定方法如下：使制作的一对超声波传感器1相对，以一者为发送器，以另一者为接收器，进行超声波的发送和接收。示出以第4比较例的特性为1时的相对值。另外，作为确认接合可靠性的方法，将实施了200次循环的以-40℃环境下30分钟、80℃环境下30分钟为1次循环的热冲击试验的传感器的特性与初始特性进行比较，并确认其变化率。
关于可靠性，以热冲击试验后的特性变化大于±30％的试样为“×”、以±30％～5％的试样为“○”、以±5％以下的试样为“◎”进行记载。表1汇总示出这些结果。
[表1]
3.结果的考察
对于超声波传感器1的初始特性而言，可知第一声匹配层2的密度为1.0g/cm3～1.5g/cm3的范围的试样显示高的特性。认为这是由于：从压电元件7及第二声匹配层5的阻抗匹配和第一声匹配层2内的超声波的传递效率的观点来看，在硬质且取得阻抗匹配的范围。特别是在第一声匹配层2的密度为1.5g/cm3时，显示高的特性。
发现超声波传感器1的热冲击试验前后的特性变化受到第一声匹配层2的粘贴方向的影响。特别是确认在成型时的流动方向与压电元件7的长轴方向平行时可靠性特性提高。液晶聚合物时，流动方向的热膨胀率低，与流动方向呈90°的方向为高热膨胀，因此需要不将温度变化过程产生的膨胀收缩传递至压电元件7。
本公开中，通过使成型时的流动方向与压电元件的长轴方向一致并贴合在金属壳体上，由此实现基于膨胀收缩的应力缓和，确保可靠性。另一方面，认为在与流动方向呈90°的方向上贴合时，基于膨胀收缩的应力会传递至压电元件，由此可靠性降低。
如上所说，第1公开中的超声波传感器的特征在于，由压电元件和多个声匹配层构成，所述声匹配层包含与压电元件层叠并接合的第一声匹配层，与压电元件相邻的第一声匹配层包含热塑性树脂，热塑性树脂从第一声匹配层的厚度方向注入。
对于第2公开中的超声波传感器而言，特别是在第1公开中，可以压电元件是接合面为长方形的长方体，第一声匹配层具有基于热塑性树脂的注入的流动方向，使该流动方向与压电元件的长轴方向平行一致，进行层叠并接合。
对于第3公开中的超声波传感器而言，第1公开中，可以将第一声匹配层的平均密度设为1.0g/cm3以上且1.5g/cm3以下。通过将第一声匹配层的平均密度设为该范围，可以高效率地使超声波从压电元件传递至与第一声匹配层接合的声匹配层，因此超声波传感器的特性提高。
对于第4公开中的超声波传感器而言，在第2公开中，可以将第一声匹配层的平均密度设为1.0g/cm3以上且1.5g/cm3以下。通过将第一声匹配层的平均密度设为该范围，可以高效率地使超声波从压电元件传递至与第一声匹配层接合的声匹配层，因此超声波传感器的特性提高。
对于第5公开中的超声波传感器而言，在第1～4中的任意一个公开中，作为第一声匹配层的构成成分，可以采用填充有中空球体的材料，所述中空球体由玻璃或陶瓷、树脂形成。中空球体的密度非常低，通过研磨、切削等在表面露出时，会成为空隙，由此在粘接时可以简单地得到锚固效果。
对于第6公开中的超声波传感器而言，在第1～4中的任意一个公开中，可以将第一声匹配层的厚度设为声速的约1/4。
对于第7公开中超声波传感器而言，在第5公开中，可以将第一声匹配层的厚度设为声速的约1/4。
产业上的可利用性
如上，本公开的超声波传感器适合用于各种流体的测定用流量计。特别适适合用于在高温或低温等使用环境下要求优异的耐久性的用途。
附图标记说明
1 超声波传感器
2 第一声匹配层
3 外壳部
4 芯部
5 第二声匹配层
6 金属壳体
7 压电元件
Claims (5)
1.一种超声波传感器，其特征在于，其由压电元件和多个声匹配层构成，所述声匹配层包含与所述压电元件层叠并接合的第一声匹配层，
与所述压电元件相邻的第一声匹配层包含热塑性树脂，所述热塑性树脂从所述第一声匹配层的厚度方向注入，
所述压电元件是接合面为长方形的长方体，所述第一声匹配层具有基于热塑性树脂的注入的流动方向，使所述流动方向与所述压电元件的长轴方向平行一致，并且将所述压电元件与所述第一声匹配层层叠并接合。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述第一声匹配层的平均密度为1.0g/cm3以上且1.5g/cm3以下。
3.根据权利要求1或2所述的超声波传感器，其特征在于，作为所述第一声匹配层的构成成分，包含填充有中空球体的材料，所述中空球体由玻璃或陶瓷、树脂形成。
4.根据权利要求1或2所述的超声波传感器，其特征在于，所述第一声匹配层的厚度为声速的约1/4。
5.根据权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，所述第一声匹配层的厚度为声速的约1/4。
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