JP2006157771A

JP2006157771A - 超音波振動子およびそれを用いた流体の流れ計測装置

Info

Publication number: JP2006157771A
Application number: JP2004348078A
Authority: JP
Inventors: Shin Nakano; 慎中野; Akihisa Adachi; 明久足立
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】超音波振動子およびそれを用いた超音波流量計において温度変化、或いは高温高湿下に置かれたときの音響整合層の吸湿を低減し、出力感度の維持を図ることを目的とする。
【解決手段】超音波振動子１は、有天状のケース２の頂壁外面に音響整合層３を、頂壁内面に圧電体４をそれぞれ接着固定して構成してある。ケース２の下方開放部を閉塞する導電性の端子板７には圧電体４の電極５，６と電気的に接続される端子８，９が取付けてある。そして、音響整合層３に撥水層１２が形成してある。この撥水層１２は、例えばナトリウム・メチルシリコネート溶液とシュウ酸を基本組成とする撥水溶液を用い、ケース２との非接触面に形成してある。したがって、温度変化時、あるいは高温高湿下に置かれても、音響整合層３は吸湿しにくくなり、出力感度の低下も抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波振動子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流体の流れ計測装置に関するものである。

従来この種の超音波振動子にあっては、例えば図９に示すように、撥水処理したガラスバルーン４０と樹脂４１とから構成された音響整合層４２を介して流路に対する超音波の発信、受信を行うようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−６５７９５号公報

しかしながら、前記の従来構成では、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撥水処理されていない樹脂部が結露し、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、音響整合層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、この音響整合層を備えた超音波振動子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。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高性能な超音波振動子およびそれを用いた流体の流れ計測装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波振動子は、圧電体と音響整合層とを具備し、前記音響整合層には撥水層を形成したものである。

これによって、温度変化、或いは高温高湿下に放置されても音響整合層の吸湿が抑制され、良好な出力感度を維持できることとなる。

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層の吸湿を抑制して音響整合層の出力感度を要綱に維持できるものであり、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。

本発明の実施の形態は、圧電体と音響整合層とを具備し、前記音響整合層には撥水層を形成したものである。したがって、温度変化、或いは高温高湿下への放置によっても音響整合層の吸湿が抑制され、超音波振動子としての感度を良好に維持できることとなる。

撥水層の形成は、浸漬法、スプレー噴射法、真空蒸着法、貼り付け法、印刷法、およびスパッタリング法などが考えられる。

また、浸漬法、およびスプレー噴射法を採用した場合、その処理時に減圧するようにしておけば、音響整合層表面に吸着する気泡を除去でき、さらに、真空蒸着法を採用した場合は、その処理の後、紫外線を照射すると、形成した撥水層が高分子化され、強固な膜とすることができる。

印刷法、或いはスパッタリング法を採用した場合、撥水層を形成した後、減圧処理を行うようにしておけば、やはり音響整合層表面に吸着する気泡を除去できる。

さらにまた、真空蒸着法、貼り付け法、およびスパッタリング法を採用した場合は、撥水層を形成した後、熱処理を行うようにすると、撥水層の音響整合層への密着性が高められる。

超音波振動子としては、音響整合層に圧電体を直接的に接着してもよいが、流体と圧電体を隔離する上から、有天状のケースの頂壁外面に音響整合層を、頂壁内面に圧電体をそれぞれ接着固定し、ケースに対する音響整合層の非接触面に撥水層を形成することが望ましい。そしてこの場合、ケースに音響整合層を接着固定した後、撥水層を形成する。

そして、前記した超音波振動子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、両超音波振動子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。

以下、具体的な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。

（実施の形態１）
図１に示す超音波振動子１は、導電材料、例えばステンレスからなる有天状のケース２を有し、その頂壁外面に音響整合層３を、頂壁内面に圧電体４をそれぞれ接着して固定している。

前記音響整合層３は、例えばガラスバルーンとエポキシ樹脂の硬化物で構成され、エポキシ接着剤を介してケース２の頂壁外面に接着されており、一方、圧電体４は、両端に対向する銀の電極５，６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５がエポキシ接着剤を介してケース２の頂壁内面に接着されている。ケース２の下方開放部を閉塞する導電性の端子板７には一対の端子８，９が取付けてある。さらに述べると、一方の端子８は端子板７に固定されており、ケース２、この端子板７を介して圧電体４の上方電極５が接続されている。他方の端子９はシリコンゴムからなる絶縁部１０を介して端子板７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１１を介在した形で圧電体４の下方電極６に接続されている。

そして、音響整合層３に撥水層１２が形成してある。この撥水層１２は、例えばナトリウム・メチルシリコネート溶液とシュウ酸を基本組成とする撥水溶液を用い、ケース２との非接触面に形成してある。

図２は、撥水層形成プロセスを示している。音響整合層３を下向きにして超音波振動子１を容器１３内に配置し、しかる後、撥水溶液１４を音響整合層３が浸漬される程度まで満たし、５分浸漬後、室温で３０分乾燥する。以上の処理によって、音響整合層３の表面に撥水層１２が形成される。

以上のように構成された超音波振動子１について、以下その動作、作用を説明する。

端子８，９を介して圧電体４に５００ｋＨｚの周波数の信号を供給すると、対向する電極５，６に対して垂直方向の振動を生起するもので、この振動で音響整合層３が共振して振動する。

そして、音響整合層３に撥水層１２を形成することにより、温度変化、あるいは高温高湿下への放置によっても音響整合層３が吸湿しにくくなり、出力感度の低下を抑制することができる。

また、撥水層１２を複数回以上形成することによって、特に撥水１２層の未形成部分が低減し、より一層音響整合層３の性能が安定する。さらに、撥水層１２を形成するプロセスにおいて、浸漬処理時に減圧処理することによって、表面に吸着する気泡を除去して撥水層１２を形成でき、さらなる出力感度の向上が図れるものである。

（実施の形態２）
図３において、スプレー１５よりナトリウム・メチルシリコネート溶液とシュウ酸を基本組成とする撥水溶液を噴射して塗布し、塗布後撥水溶液の溶媒であるメタノールを乾燥するため常温で３０分以上放置する。以上の処理によって、音響整合層３の表面に撥水層１２が形成される。

以上のように構成された超音波振動子１の動作、作用は、実施の形態１に同様のため省略する。

なお、本実施の形態２においても、撥水層１２を複数回以上形成することによって、特に撥水層の未形成部分が低減し、より音響整合層に吸湿しにくくなり、出力感度の低下を抑制することもできる。また、撥水溶液の噴射時に減圧処理することによって、表面に吸着する気泡を除去して撥水層を形成できる。

（実施の形態３）
図４において、ヒーター１６は抵抗加熱式を用い、蒸着物１７は、例えばポリビニルフロライド（ＰＶＤＦ）用い、蒸着装置内部の真空度は１０^−２Ｐａ以下の圧力で蒸着した。

ただし、蒸着物は四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、４フッ化エチレンパーフルオロアルコキシビニルエーテル（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン」（ＰＣＴＦＥ）、四フッ化エチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリビニルフロライド（ＰＶＦ）などいずれを用いても良い。

設定温度は、蒸着物１７の融点以上に保持した。以上のような条件によって、音響整合層３の表面に撥水層１２が形成される。

以上のように構成された超音波振動子の動作、作用は、実施の形態１に同様のため省略する。

本実施の形態の撥水層１２を形成するプロセスにおいて、真空蒸着後、熱処理することによって、塗布した撥水層が高分子化し、強固な膜を形成することができ、長期間撥水性を維持することができる。さらに、真空蒸着後、紫外線を照射することによって、塗布した撥水層１２が高分子化し、強固な膜を形成することができ、長期間撥水性を維持することができる。

（実施の形態４）
図５において、シート基材１８に塗布された撥水層１２を、加圧治具１９によって加圧し３０秒後に加圧を解除するとともに、シート基材１８を剥離することによって音響整合層３の表面に撥水層１２が形成される。

なお、本実施の形態の撥水層１２を形成するプロセスにおいて、撥水層１２の貼り付け時、熱処理することによって、貼り付けた撥水層１２が音響整合層３に密着し、長期間撥水性を維持することができる。

（実施の形態５）
図６において、２０はブレード、２１は撥水塗布溶液、２２はメタルマスク、２３は印刷台を示しており、印刷台２３に超音波振動子１を配置し、メタルマスク２２を印刷台２３の上にのせる。撥水塗布溶液２１をメタルマスク２２に塗布し、メタルマスク２２とブレード２０とのギャップを０．２ｍｍとして、一定の速度で印刷した。

なお、本実施の形態の撥水層１２を複数回以上形成することによって、特に撥水層１２の未形成部分が低減し、より音響整合層３に吸湿しにくくなり、出力感度の低下を抑制することもできる。また、撥水層塗布後に減圧処理することによって、表面に吸着する気泡を除去して撥水層１２を形成できる。

（実施の形態６）
図７において、ターゲット２４は四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）を用い、銅製のターゲット台に高真空グリースで貼り付け固定した。スパッタ装置内はスパッタ用ガスであるアルゴンガスを１０^−１〜１０^１Ｐａの範囲内で導入し、イオン源内のフィラメント２５から発生した熱電子が導入したガスと衝突することによってガスがイオン化されてプラズマ２６を発生させ、グリッド電極２７に電界を印加することによってイオンビームとして引き出し加速し、ターゲット２４に衝突させてスパッタを行い、撥水層１２が音響整合層３の表面に形成される。

なお、本実施の形態の撥水層１２を形成するプロセスにおいて、スパッタ処理後、熱処理することによって、塗布した撥水層が高分子化し、強固な膜を形成することができ、長期間撥水性を維持することができる。また、スパッタ処理後、紫外線を照射することによって、塗布した撥水層が高分子化し、強固な膜を形成することができ、長期間撥水性を維持することができる。

（実施の形態７）
図８は、流体の流れ測定装置に採用した例で、被測定流体が流れる流路２８の流れ方向上手側と下手側に先の超音波振動子１を一対配置したものである。具体的には流路２８を流れる流体中を斜めに横断するごとく超音波伝播が行われるようにしてあり、流路２８に斜めに開口する空間２９，３０にシール材３１，３２を介して超音波振動子１が気密に収納してある。

シール材３１，３２として、流体がＬＰガスの場合は、同ＬＰガスに耐性を有するニトリルブチル（ＮＢＲ）などを用いる。

超音波は上流側の超音波振動子１から送信された超音波が流体中を流れ順方向に伝搬して下流側の超音波振動子１に受信され、次いで下流側の超音波振動子１から送信された超音波が流体中を流れ逆方向に伝搬して上流側の超音波振動子１に受信され、計測手段３３が上記伝搬時間差を測定する。

上記の時間差から演算手段３４はそのとき時々の流体流速を演算し、必要であればその流速に流路２８の断面積および係数を乗じて流量を演算するものである。

以上のように、本発明第２実施の形態においては、音響整合層に撥水層を形成することにより、温度変化、あるいは高温高湿下への放置によっても音響整合が吸湿しにくくなり、出力感度の低下を抑制することができる。

以上のように、本発明にかかる超音波振動子およびそれを用いた流れ計測装置は、温度変化、あるいは高温高湿下に放置に伴う音響整合層の結露をおさえ、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。

本発明の実施の形態１を示す超音波振動子断面図同超音波振動子の製造工程図本発明の実施の形態２を示す超音波振動子の製造工程図本発明の実施の形態３を示す超音波振動子の製造説明図本発明の実施の形態４を示す超音波振動子の製造工程図本発明の実施の形態５を示す超音波振動子の製造工程図本発明の実施の形態６を示す超音波振動子の製造説明図本発明の実施の形態７を示す流れ計測装置の断面図従来の超音波振動子に用いられている音響整合層の断面図

符号の説明

１超音波振動子
２ケース
３音響整合層
４圧電体
１２撥水層
２８流路

Claims

圧電体と音響整合層とを具備し、前記音響整合層には撥水層を形成した超音波振動子。
撥水層は浸漬法で形成した請求項１記載の超音波振動子。
浸漬処理時に減圧するようにした請求項２記載の超音波振動子。
撥水層はスプレー噴射で形成した１記載の超音波振動子。
スプレー噴射時に減圧するようにした請求項４記載の超音波振動子。
撥水層は真空蒸着法で形成した請求項１記載の超音波振動子。
撥水層を真空蒸着した後、紫外線を照射するようにした請求項６記載の超音波振動子。
音響整合層に撥水層を貼り付けて形成した請求項１記載の超音波振動子。
撥水層は印刷法で形成した請求項１記載の超音波振動子。
撥水層を印刷して形成した後、減圧処理を行うようにした請求項９記載の超音波振動子。
撥水層はスパッタリング法で形成した請求項１記載の超音波振動子。
撥水層を形成した後、減圧処理を行うようにした請求項１１記載の超音波振動子。
撥水層を形成した後、熱処理を行うようにした請求項６，８，１１のいずれか１記載の超音波振動子。
有天状のケースの頂壁外面に音響整合層を、頂壁内面に圧電体をそれぞれ接着固定し、ケースに対する音響整合層の非接触面に撥水層を形成した請求項１〜１３いずれか１項記載の超音波振動子。
ケースに音響整合層を接着固定した後、撥水層を形成した請求項１６記載の超音波振動子。
請求項１〜１７のいずれか１項記載の超音波振動子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、両超音波振動子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流体の流れ計測装置。