JP2006226681A - Ultrasonic vibrator, its manufacturing method and ultrasonic flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気体や液体等流体の流速、流量を計測する超音波流量計などに用いる超音波振動子に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic transducer used for an ultrasonic flowmeter for measuring the flow velocity and flow rate of a fluid such as gas or liquid.
従来、この種の超音波振動子は、図8に示すような構成であった。図8は超音波振動子101の断面図、図9は同超音波振動子の音響整合層の断面図である。
Conventionally, this type of ultrasonic transducer has a configuration as shown in FIG. 8 is a cross-sectional view of the
同図において、102はキャップ状の缶ケ−スを示し、圧電体103を収納する。104は、缶ケ−ス102上の設けられた2層からなる音響整合層である。105はセラミック多孔体を、106は多孔性の有機ガラスの乾燥ゲルを示す。107は缶ケ−ス102と溶接接合された台座を、108は電極端子109と圧電体103とを電気的に接続する導電性ゴムを、110は電極端子109と台座107とを電気的に絶縁する封入ガラス部を、111は缶ケ−ス102、台座107とを電気的に接続する接地端子をそれぞれ示す。なお、圧電体103の上部と下部とには焼付け銀などの電極が形成されている(例えば、特許文献1参照)。
このような構成の従来の超音波振動子101では、2層からなる音響整合層104が、構成する2層、多孔性の有機ガラスの乾燥ゲル105層あるいは多孔性セラミック106の一部部分が連続して構成していたため、製造時の蒸発乾燥あるいは熱サイクルなどの温度変化により、熱膨張係数の違いによると思われる歪みにより、強度的に弱い有機ガラスの乾燥ゲル105にクラックなどのひび割れや、表面層の剥離などが発生し、信頼性に、特に長期信頼性に課題を有していた。また、製造時の取扱い中にコ−ナ−部が欠損したりするなどの課題も有していた。
In the conventional
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、セラミック多孔体で構成される第1の整合層と有機ガラスの乾燥ゲルで構成される第2整合層との周囲にリング状の型枠を構成し、超音波振動子とした。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and a ring-shaped formwork is formed around a first matching layer made of a ceramic porous body and a second matching layer made of an organic glass dry gel. An ultrasonic transducer was constructed.
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、キャップ状の缶ケ−ス内に接着された圧電体と、前記缶ケ−スの表面に第1整合層と、第2整合層と、前記第1整合層と前記第2整合層との周囲にリング状の型枠を備え、リング状の型枠が第1整合層および第2整合層とに圧縮応力が印加される構成とした。 In order to solve the above-described conventional problems, an ultrasonic transducer of the present invention includes a piezoelectric body bonded in a cap-shaped can case, a first matching layer on a surface of the can case, A ring-shaped mold is provided around the two matching layers, the first matching layer, and the second matching layer, and the ring-shaped mold is applied with compressive stress to the first matching layer and the second matching layer. The configuration is as follows.
この構成により、第1層を構成するセラミック多孔体と、第2層を構成する有機ガラスの乾燥ゲルとの熱膨張係数の違いによる歪みの発生を抑制することができ、長期信頼性に優れた超音波振動子を提供することができる。また、リング状の型枠により音響整合層が保護されるので、製造時の取扱いにより、音響整合層の一部が欠損したりすることを防止できる。 With this configuration, it is possible to suppress the occurrence of distortion due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic porous body constituting the first layer and the dried organic glass gel constituting the second layer, and excellent long-term reliability. An ultrasonic transducer can be provided. In addition, since the acoustic matching layer is protected by the ring-shaped formwork, it is possible to prevent a part of the acoustic matching layer from being lost due to handling during manufacturing.
本発明の超音波振動子は、2層からなる音響整合層をリング状の型枠により保護し、圧縮応力を印加しているので、強度的に弱い有機ガラスの乾燥ゲルにクラックなどのひび割れや、表面層の剥離などを発生することなく、長期信頼性を確保することができる。また、リング状の型枠により音響整合層が保護されるので、製造時の取扱いにより、音響整合層の一部が欠損したりすることを防止できる。 In the ultrasonic transducer of the present invention, the acoustic matching layer composed of two layers is protected by a ring-shaped formwork and compressive stress is applied. Long-term reliability can be ensured without causing peeling of the surface layer. In addition, since the acoustic matching layer is protected by the ring-shaped formwork, it is possible to prevent a part of the acoustic matching layer from being lost due to handling during manufacturing.
第1の発明は、超音波振動子をキャップ状の缶ケ−ス内に接着された圧電体と、前記缶ケ−スの表面に籍そうして設けられた第1整合層と第2整合層と、前記第1整合層と前記第2整合層との周囲にリング状の型枠を備えた構成とした。この構成により、音響整合層がリング状の型枠により、保護され、第1整合層および第2整合層とに圧縮応力が印加されることになり、強度的に弱い有機ガラスの乾燥ゲルにクラックなどのひび割れや、表面層の剥離などを発生することなく、長期信頼性を確保することができる。また、リング状の型枠により音響整合層が保護されるので、製造時の取扱いにより、音響整合層の一部が欠損したりすることもなくなった。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric body in which an ultrasonic vibrator is bonded in a cap-shaped can case, a first matching layer provided on the surface of the can case, and a second matching layer. A ring-shaped mold is provided around the layer, the first matching layer, and the second matching layer. With this configuration, the acoustic matching layer is protected by the ring-shaped formwork, compressive stress is applied to the first matching layer and the second matching layer, and the dry gel of organic glass that is weak in strength is cracked. Long-term reliability can be ensured without causing cracks or peeling of the surface layer. In addition, since the acoustic matching layer is protected by the ring-shaped formwork, a part of the acoustic matching layer is not lost due to handling during manufacturing.
第2の発明は、特に第1の発明の第1整合層をセラミック多孔体で構成した。セラミック多孔体で構成することにより、密度0.7〜1.0[g/cm3]、音速1500〜2500[m/s]の第1整合層としての特性を有する材料を簡単に入手することができる。また、強度を比較的大きくとることも可能となり、強度的に弱い第2整合層を、リング状の型枠とともに保護しながら形成できる。 In the second invention, in particular, the first matching layer of the first invention is composed of a ceramic porous body. A material having characteristics as a first matching layer having a density of 0.7 to 1.0 [g / cm 3 ] and a speed of sound of 1500 to 2500 [m / s] can be easily obtained by constituting the ceramic porous body. Can do. Also, the strength can be made relatively large, and the second matching layer, which is weak in strength, can be formed while being protected together with the ring-shaped mold.
第3の発明は、特に第1発明の第2整合層を有機ガラスの乾燥ゲルで構成することにより、感度の大きい超音波振動子を構成することができる。第1整合層とリング状の型枠とで保護されているので、密度0.25〜0.35[g/cm3]、音速200〜400[m/s]の強度の低い第2整合層を形成することができ、感度の大きい超音波振動子を実現できる。 According to the third aspect of the invention, an ultrasonic vibrator having a high sensitivity can be formed by configuring the second matching layer of the first aspect of the invention with an organic glass dry gel. Since it is protected by the first matching layer and the ring-shaped formwork, the second matching layer having a low strength with a density of 0.25 to 0.35 [g / cm 3 ] and a sound velocity of 200 to 400 [m / s]. And an ultrasonic transducer with high sensitivity can be realized.
第4の発明は、特に第1の発明のリング状型枠を樹脂で構成した。これにより第1整合層との密着性をよくすることができ、また第2整合層との馴染みを良くすることができ、内部に簡単に、かつ、強固に密着形成できるようになる。また、音響整合層内に発生する不要振動をも抑制することができ、高性能な超音波振動子を実現できる。 In the fourth invention, the ring form of the first invention is made of resin. As a result, the adhesion with the first matching layer can be improved, the familiarity with the second matching layer can be improved, and the inside can be easily and firmly formed inside. Moreover, unnecessary vibrations generated in the acoustic matching layer can be suppressed, and a high-performance ultrasonic transducer can be realized.
第5の発明は、特に第4の発明の樹脂を、PET、ポリエチ、塩化ビニル、アクリル、ベ−クライト、エポキシなどの樹脂で構成した。この構成により、音響損失を大きくでき、特に音響整合層外部へ拡散する残響を抑制することができ、高性能な超音波振動子を実現できる。 In the fifth aspect of the invention, the resin of the fourth aspect of the invention is composed of a resin such as PET, polyethylene, vinyl chloride, acrylic, belite, epoxy or the like. With this configuration, it is possible to increase acoustic loss, particularly suppress reverberation that diffuses outside the acoustic matching layer, and realize a high-performance ultrasonic transducer.
第6の発明は、特に第1の発明の超音波振動子の型枠の側面および缶ケ−スの側面を第2の樹脂で被覆する構成とした。この構成により、音響整合層内に発生する不要振動と、缶ケ−スに発生する不要振動とを抑制することができ、高性能な超音波振動子を実現できる。 In the sixth aspect of the invention, in particular, the side surface of the mold and the side surface of the can case of the ultrasonic transducer of the first aspect are covered with the second resin. With this configuration, unnecessary vibrations generated in the acoustic matching layer and unnecessary vibrations generated in the can case can be suppressed, and a high-performance ultrasonic transducer can be realized.
第7の発明は、特に第6の発明の第2の樹脂をシリコン、フロロシリコン、ポリイミド、フッソ、ニトリルゴム、ブチルゴムなどのエラストマ−系樹脂で構成した。この構成により、不要振動の抑制効果を大きくすることができ、高性能な超音波振動子を実現できる。 In the seventh invention, in particular, the second resin of the sixth invention is composed of an elastomer resin such as silicon, fluorosilicone, polyimide, fluorine, nitrile rubber, and butyl rubber. With this configuration, the effect of suppressing unnecessary vibration can be increased, and a high-performance ultrasonic transducer can be realized.
第8の発明は、特に第1〜7の発明の超音波振動子の第1整合層および第2整合層を疎水化処理した構成とした。これにより、長期信頼性に優れた高性能な超音波振動子を実現を実現できる。 In the eighth invention, in particular, the first matching layer and the second matching layer of the ultrasonic transducer according to the first to seventh inventions are subjected to a hydrophobic treatment. As a result, it is possible to realize a high-performance ultrasonic transducer with excellent long-term reliability.
第9の発明は、第1〜8の発明の超音波振動子を一対設け、一方の前記超音波振動子から超音波を送信し、他方の前記超音波振動子で受信し、超音波の送信から受信点までの超音波の伝搬時間を計測する時間計測部と、前記超音波の伝搬時間から流量を演算する流量演算部とを備えることにより、精度のよい超音波流量計を実現できる。 A ninth invention provides a pair of the ultrasonic transducers of the first to eighth inventions, transmits ultrasonic waves from one of the ultrasonic transducers, receives by the other ultrasonic transducer, and transmits ultrasonic waves. By providing a time measurement unit that measures the propagation time of the ultrasonic wave from the point to the reception point and a flow rate calculation unit that calculates the flow rate from the propagation time of the ultrasonic wave, an accurate ultrasonic flow meter can be realized.
第10の発明は、特に第1〜8の発明の超音波振動子に関する製造方法であって、有機ガラスの乾燥ゲル単体を準備する工程、多孔性セラミックを準備し、リング状の型枠に収納する工程、多孔性セラミックの内部およびリング状の型枠内に有機ガラス乾燥ゲルを充填する工程、有機ガラス乾燥ゲルを疎水化処理する工程、第2の樹脂を缶ケ−ス側面に形成する工程、を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法とした。これにより、歩留まりよく信頼性の高い高性能な超音波振動子を製造できる。 The tenth invention is a manufacturing method related to the ultrasonic vibrators of the first to eighth inventions in particular, the step of preparing a dry gel of organic glass, a porous ceramic is prepared and stored in a ring-shaped formwork A step of filling the inside of the porous ceramic and the ring-shaped mold with the organic glass dry gel, a step of hydrophobizing the organic glass dry gel, and a step of forming the second resin on the side surface of the can case Thus, a method for manufacturing an ultrasonic transducer is provided. Thereby, a high-performance ultrasonic transducer with high yield and high reliability can be manufactured.
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、この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 embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における超音波振動子の断面図を示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of an ultrasonic transducer in the first embodiment of the present invention.
図1において、超音波振動子1は、キャップ状の缶ケ−ス2の内部にエポキシ樹脂などで接着された圧電体3と、前記缶ケ−ス2の外部に接着された音響整合層4とから構成されている。音響整合層4は、第1の整合層を構成するセラミック多孔体部分5と、第2の整合層部分を構成する有機ガラスの乾燥ゲルの部分6とで構成される2層構成とした。
In FIG. 1, an
セラミック多孔体5部分の外径は12[mm]、板厚は1.5[mm]とした。また、有機ガラスの乾燥ゲルの部分6は、外径12[mm]、厚さ0.5[mm]とした。7はリング状の型枠を示し、セラミック多孔体部分5と、有機ガラスの乾燥ゲルの部分6とで構成される音響整合層4の外周部分にリング状に取り囲むように設けた。
The outer diameter of the ceramic
なお、圧電体3は、約7.4[mm]角の角柱状とし、その上面、下面には焼き付け銀などで構成される電極が形成されている(図示せず)。また、台座部8は缶ケ−ス2と周辺部で溶接され、圧電体3を密封する構成とした。導電性のゴム9は圧電体3の下面電極と端子10とを電気的に接続している。端子10は、ハ−メチックシ−ルなどの絶縁性材料11により台座8に固定されている。
The
他方の端子12は、台座8に直接固定され、缶ケ−ス2を介して、圧電体3の上面電極に接続される構成とした。この構成において、リング状の型枠は音響整合層4に圧縮方向に残留応力がかかるようにした。即ち、セラミック多孔体部分5および有機ガラスの乾燥ゲル部分6には、常に周囲からの締付け応力が印加されることになる。
The
この構成により、熱サイクル試験を実施しても、第2整合層の表面にクラックや剥離などが観側されなかった。このため、大きな感度低下を引起こすことがなかった。 With this configuration, even when the thermal cycle test was performed, no cracks or peeling were observed on the surface of the second matching layer. For this reason, there was no great sensitivity drop.
図2に、熱サイクル試験の結果を示す。同図において、横軸は熱サイクル試験におけるサイクル数を、縦軸に開始時を1.0とする超音波振動子の相対感度を示す。熱サイクル試験は、+80[℃]と、−40[℃]の気相間に30分間、交互に保持する方法とした。図中の白丸は本発明に基づく超音波振動子の結果(N=10個の平均)を、黒四角は従来の超音波振動子の結果(N=10個の平均)を示す。 FIG. 2 shows the result of the thermal cycle test. In the figure, the horizontal axis represents the number of cycles in the thermal cycle test, and the vertical axis represents the relative sensitivity of the ultrasonic transducer with 1.0 at the start. The thermal cycle test was a method of alternately holding the gas phase between +80 [° C.] and −40 [° C.] for 30 minutes. The white circles in the figure indicate the results (N = 10 average) of the ultrasonic transducers according to the present invention, and the black squares indicate the results of the conventional ultrasonic transducer (N = 10 averages).
本発明に基づく超音波振動子では、熱サイクル2000回においても、感度低下は5[%]以下であり、実用上問題となる10[%]以上の感度低下示すものは無かった。従来の超音波振動子では、1500回以降に劣化するものが多く見られ、2000回では、実用上問題となる10[%]以上の感度低下が発生した。なお、本発明に基づく超音波振動子の表面にも、数個以内のクラックが散見されたが、感度低下につながるものではなかった。また、表面にピット状の剥離が観側されたものは皆無であった。従来の超音波振動子では、クラックが多く認められ、表面のピット状の剥離にいたるものも多数あり、感度低下となって観測された。 In the ultrasonic transducer according to the present invention, the sensitivity decrease was 5% or less even after 2000 thermal cycles, and there was no one that showed a sensitivity decrease of 10% or more, which was a practical problem. Many conventional ultrasonic transducers deteriorate after 1500 times. At 2000 times, a sensitivity drop of 10% or more, which is a practical problem, occurred. Although several cracks were found on the surface of the ultrasonic transducer according to the present invention, the sensitivity was not lowered. In addition, there was no pit-like peeling on the surface. In conventional ultrasonic transducers, many cracks were observed, and many pit-like peelings on the surface were observed, and the sensitivity was observed to decrease.
また、リング状の型枠で有機ガラスの乾燥ゲル部分6とセラミック多孔体部分5とが保護される形となっているので、製造中、或いは作業中に音響整合層の上面、下面の稜線部分が欠損することもなく、作業効率が大幅に向上した。また、感度特性調整などの音響整合層の厚さ調整なども効率よく実施できるようになった。
In addition, since the organic glass
なお、第1整合層としては、超音波振動子の送受信感度や受信波形などの特性から、密度0.7〜1.0[g/cm3]、音速1500〜2500[m/s]に設定することが要求される。これらの特性はセラミック多孔体を用いることにより容易に達成することができる。 The first matching layer is set to a density of 0.7 to 1.0 [g / cm 3 ] and a sound speed of 1500 to 2500 [m / s] from the characteristics such as transmission / reception sensitivity and reception waveform of the ultrasonic transducer. It is required to do. These characteristics can be easily achieved by using a ceramic porous body.
また、第2整合層としても、超音波振動子の送受信感度や受信波形などの特性から、密度0.25〜0.35[g/cm3]、音速200〜400[m/s]に設定することが要求される。これらの特性は有機ガラスの乾燥ゲルを用いることにより容易に達成することができる。 The second matching layer is also set to a density of 0.25 to 0.35 [g / cm 3 ] and a sound speed of 200 to 400 [m / s] from the characteristics such as transmission / reception sensitivity and reception waveform of the ultrasonic transducer. It is required to do. These properties can be easily achieved by using a dry gel of organic glass.
次に、リング状の型枠について説明する。この種のリング状の型枠は、柔軟性があって、且つ、収縮する残留応力の残ることが要求される。また有機ガラスを形成する際に、膨潤し、乾燥後は若干収縮するものがよい。これらの特性は、PET、ポリエチ、塩化ビニル、アクリル、ベ−クライト、エポキシなどの樹脂を用いることにより容易に達成できる。即ち、これらの樹脂材料は、有機ガラスを形成する際の有機溶剤により若干膨潤することが実験的に確認した。 Next, a ring-shaped formwork will be described. This type of ring-shaped form is required to be flexible and retain residual stress that shrinks. Moreover, when forming organic glass, the thing which swells and shrinks a little after drying is good. These characteristics can be easily achieved by using a resin such as PET, polyethylene, vinyl chloride, acrylic, belite, and epoxy. That is, it was experimentally confirmed that these resin materials are slightly swollen by the organic solvent when forming the organic glass.
また、有機ガラスを乾燥した場合には、収縮応力が残留することをも実験的に確認した。従って、これらの樹脂をも用いリング状の型枠を構成すると、音響整合層を構成するセラミック多孔体との密着性も確保でき、また、有機ガラスを形成し、乾燥後には、セラミック多孔体および有機ガラスの乾燥ゲルに対して、収縮応力が働くようになる。このため、信頼性の高い超音波振動子を実現することができる。 Moreover, when organic glass was dried, it also confirmed experimentally that shrinkage stress remained. Accordingly, when a ring-shaped formwork is also formed using these resins, it is possible to ensure adhesion with the ceramic porous body constituting the acoustic matching layer, and after forming an organic glass and drying, the ceramic porous body and The shrinkage stress is applied to the organic glass dry gel. For this reason, a highly reliable ultrasonic transducer can be realized.
図3は、本実施の形態における超音波流量計の断面図である。同図において、流体の流れる流路202の上流側と下流側とに一対の超音波振動子1、1を流体の流れを挟んで相互に対向して設置し、一対の超音波振動子1、1間を伝搬する超音波の伝搬時間から流体の流速を計測し、この流速値から流量を演算し、超音波流量計201としていた。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the ultrasonic flowmeter in the present embodiment. In the figure, a pair of
なお、図中の片矢印203(実線)は流体の流れる方向を示し、両矢印204(破線)は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉している。 In addition, the single arrow 203 (solid line) in a figure shows the direction through which a fluid flows, and the double arrow 204 (broken line) has shown the direction through which an ultrasonic wave propagates. Note that the direction in which the fluid flows and the direction in which the ultrasonic waves propagate intersect at an angle θ.
205は送信側超音波振動子1を駆動するバ−スト信号を発生する送信部、206は送信部205からの信号を上流側超音波振動子1あるいは下流側超音波振動子1に切換える切換部である。
なお、切換部206は送信信号を切換えるとともに、上流側超音波振動子1あるいは下流側超音波振動子1からの受信信号を増幅器などで構成される受信部207へと切換える動作も行う。208は送信部205からの信号と受信部207からの信号とを用い超音波の伝搬時間を計測する時間計測部、209は超音波の伝搬時間から流体の流量を演算する流量演算部である。
The
そして、超音波流量計201は、上流側の超音波振動子1から下流側の超音波振動子1へ超音波を伝搬させ、超音波の伝搬時間Tudを、また下流側の超音波振動子1から上流側の超音波振動子1へ超音波を伝搬させ、超音波の伝搬時間Tduを交互に計測し、計測した超音波の伝播時間Tud、Tduなどを用いて時間差を求め流速、流量を演算するものである。
The
この構成において、例えば、上流側の超音波振動子1から超音波を送信し、下流側の超音波振動子1で受信していた。受信波が参照レベルと交差する点の次に来るゼロクロス点を受信時点とし、送信波の開始時点からこのゼロクロス点までの時間を超音波の伝搬時間Tudとしていた。切換部206を動作させ、同様にして、下流側の超音波振動子1から上流側の超音波振動子1への超音波の伝搬時間Tduを計測する。このようにして得られた超音波伝搬時間TudおよびTduを用いて、流体の流量を以下のようにして流量演算部209で演算した。
In this configuration, for example, ultrasonic waves are transmitted from the upstream
上流側の超音波振動子1から下流側の超音波振動子1への超音波の伝搬時間をTud、下流側の超音波振動子1から上流側の超音波振動子1への超音波の伝搬時間をTduとし、超音波が流体中を伝搬する伝搬速度をVs、流体の流速をVfとすると、
Tud=Ld/[Vs+Vf・cos(θ)]、
Tdu=Ld/[Vs−Vf・cos(θ)]
となる。なお、Ldは超音波振動子1、1間の距離を示す。
The propagation time of ultrasonic waves from the
Tud = Ld / [Vs + Vf · cos (θ)],
Tdu = Ld / [Vs−Vf · cos (θ)]
It becomes. Ld represents the distance between the
これらより、
Vs+Vf・cos(θ)=Ld/Tud、
Vs−Vf・cos(θ)=Ld/Tdu
となり、これらの両辺を引き算すると、
2*Vf・cos(θ)=(Ld/Tud)−(Ld/Tdu)
=Ld*[(1/Tud)−(1/Tdu)]
となる。
From these,
Vs + Vf · cos (θ) = Ld / Tud,
Vs−Vf · cos (θ) = Ld / Tdu
And subtracting both sides,
2 * Vf · cos (θ) = (Ld / Tud) − (Ld / Tdu)
= Ld * [(1 / Tud)-(1 / Tdu)]
It becomes.
よって、
Vf={Ld/[2・cos(θ)]}*[(1/Tud)−(1/Tdu)]
となり、流体の流速Vfが得れる。さらに、流路202の断面積Srを乗じ、流量Qmとなる。すなわち、Qm=Sr*Vfが、計測した流量値となる。
Therefore,
Vf = {Ld / [2 · cos (θ)]} * [(1 / Tud) − (1 / Tdu)]
Thus, the fluid flow velocity Vf can be obtained. Further, the flow rate Qm is obtained by multiplying the cross-sectional area Sr of the
以上のように、本実施の形態によれば、上流から下流あるいは下流から上流への超音波の受信波形を用いて超音波の伝播時間を計測するので、高精度な超音波流量計201を実現できる。
As described above, according to the present embodiment, the ultrasonic propagation time is measured using the ultrasonic reception waveform from the upstream to the downstream or from the downstream to the upstream, so that a highly accurate
(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2における超音波振動子13の断面図を示す。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
14は筒状の樹脂層を示し、リング状の型枠15のある音響整合層16の周囲と缶ケ−ス17との周囲を覆うように構成した。ここ構成により、超音波振動子を駆動したときに発生する不要振動が抑制されることがわかった。この種の材料としては、シリコン、フロロシリコン、ポリイミド、フッソ、ニトリルゴム、ブチルゴムなどのエラストマ−系樹脂、即ち、柔軟性に富んだ材料が適している。
図4に超音波振動子のインピ−ダンス特性を示す。図5(a)は、インピ−ダンス特性の抵抗成分を示し、横軸は周波数を示し、約100〜900[kHz]の領域を、縦軸は抵抗値の対数を示している。図5(b)はインピ−ダンス特性の位相成分を示し、横軸は周波数を示し、約100〜900[kHz]の領域を、縦軸は位相を示し、約−90〜+90[deg]の領域を示している。18、19は2つの共振点を、20は反共振点を示す。図5(b)の丸印21は、不要振動によるインピ−ダンス特性の乱れを示している。
FIG. 4 shows the impedance characteristics of the ultrasonic transducer. FIG. 5A shows the resistance component of the impedance characteristic, the horizontal axis shows the frequency, the region of about 100 to 900 [kHz], and the vertical axis shows the logarithm of the resistance value. FIG. 5B shows the phase component of the impedance characteristic, the horizontal axis shows the frequency, the region of about 100 to 900 [kHz], the vertical axis shows the phase, and about −90 to +90 [deg]. Indicates the area.
図6に丸印21の拡大図を示す。図6(a)はリング状の型枠および筒状の樹脂層がない場合のインピ−ダンス特性を、図6(b)はリング状の型枠が装着され、筒状の樹脂層が無い場合のインピ−ダンス特性を、図6(c)はリング状の型枠および筒状の樹脂層が装着されている場合のインピ−ダンス特性をそれぞれ示している。図6(a)の破線の丸印22a図6(b)の破線の丸印23a図6(c)の破線の丸印24の順に、インピ−ダンス曲線の滑らかさが大きく増大しているのがわかる。
FIG. 6 shows an enlarged view of the
即ち、超音波振動子の不要振動が多く、また強く存在する場合、インピ−ダンス曲線が急峻な変化を示し、図6(a)のように滑らかでない曲線となる。不要振動が抑制されるにつれ、インピ−ダンス曲線は滑らかとなる。音響特性の良くないPET、ポリエチ、塩化ビニル、アクリル、ベ−クライト、エポキシなどの樹脂でリング状の型枠を構成することにより、超音波振動子を駆動した場合に発生する不要振動が若干抑制されていることが判る。また、柔軟性に富んだシリコン、フロロシリコン、ポリイミド、フッソ、ニトリルゴム、ブチルゴムなどのエラストマ−系樹脂などを用い、筒状の樹脂層を構成することにより、超音波振動子を駆動した場合に発生する不要振動が大幅に抑制されていることが判る。 That is, when the ultrasonic vibrator has a lot of unnecessary vibration and is strongly present, the impedance curve shows a steep change and becomes a non-smooth curve as shown in FIG. As unnecessary vibration is suppressed, the impedance curve becomes smoother. By configuring the ring-shaped formwork with resin such as PET, polyethylene, vinyl chloride, acrylic, belite, epoxy, etc., which has poor acoustic characteristics, the unnecessary vibration generated when the ultrasonic vibrator is driven is slightly suppressed. It can be seen that In addition, when an ultrasonic vibrator is driven by forming a cylindrical resin layer using elastomeric resin such as silicon, fluorosilicone, polyimide, fluorine, nitrile rubber, butyl rubber, etc. It turns out that the unnecessary vibration which generate | occur | produces is suppressed significantly.
(実施の形態3)
以下に、本発明に基づく超音波振動子の製造方法について説明する。
(Embodiment 3)
Below, the manufacturing method of the ultrasonic transducer | vibrator based on this invention is demonstrated.
まず、この種の音響整合層を構成する第1整合層のセラミック多孔体について説明する。セラミック多孔体に要求される特性は、気孔率が大きく、気孔分布が一様で、かつ、連通孔で構成されていることが重要である。このようなセラミック多孔体を形成するには、気泡を多く含むセラミックスラリ−を固化させ、焼成するゾルキャスティグ法が適している。簡単に、ゾルキャスティング法の工程を説明する。まず、セラミック粉末原料と、架橋剤、触媒、界面活性剤などを含むゲル化材料とを十分混合する。このとき混合媒体としては水あるいは有機溶媒などを用いるとよい。このようにしてセラミックスラリ−が形成される。このとき、分散剤、滑剤、増粘剤、糊剤などを添加してもよい。 First, the ceramic porous body of the 1st matching layer which comprises this kind of acoustic matching layer is demonstrated. It is important that the characteristics required for the ceramic porous body are large porosity, uniform pore distribution, and communication holes. In order to form such a ceramic porous body, a sol casting method in which a ceramic slurry containing a large amount of air bubbles is solidified and fired is suitable. The process of the sol casting method will be briefly described. First, a ceramic powder raw material and a gelling material containing a crosslinking agent, a catalyst, a surfactant and the like are sufficiently mixed. At this time, water or an organic solvent may be used as the mixing medium. In this way, a ceramic library is formed. At this time, a dispersant, a lubricant, a thickener, a paste, or the like may be added.
次に、このセラミックスラリ−に気泡剤を添加し、攪拌・混合し、スラリ−中に、気泡を所定量導入する。なお、気泡を導入する前には、セラミックスラリ−を充分脱気しておくと、気泡の導入量が安定する。このようにして気泡が導入されたセラミックスラリ−を図1に示した形状となるよう型枠に入れ、成形する。乾燥後、脱型し、界面活性剤などの有機物を焼飛ばし、連通孔を形成するため、所定の温度、時間により、セラミック多孔体を焼成する。このとき、セラミック粉末材料として、アルミナ系、ムライト系、ジルコニア系などの酸化物系の材料を用いると、比較的簡単に、ゾルキャスティング法により、この種のセラミック多孔体を形成することができる。 Next, a foaming agent is added to the ceramic slurry, stirred and mixed, and a predetermined amount of foam is introduced into the slurry. If the ceramic slurry is sufficiently deaerated before introducing bubbles, the amount of bubbles introduced is stabilized. The ceramic slurry into which bubbles have been introduced in this manner is placed in a mold so as to have the shape shown in FIG. The ceramic porous body is fired at a predetermined temperature and time in order to remove the mold after drying and burn off organic substances such as surfactants to form communication holes. At this time, when an oxide-based material such as alumina, mullite, or zirconia is used as the ceramic powder material, this kind of ceramic porous body can be formed by a sol-casting method relatively easily.
また、炭化珪素系、窒化珪素系、窒化アルミニウム系、窒化ホウ素系、グラファイト系などの非酸化物系のセラミック材料を用いても比較的簡単に、ゾルキャスティング法により、この種のセラミック多孔体を形成することができる。 In addition, this kind of ceramic porous body can be formed by a sol-casting method relatively easily using non-oxide ceramic materials such as silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, and graphite. Can be formed.
次に、第2の整合層について説明する。第2整合層としても、超音波振動子の送受信感度や受信波形などの特性から、密度0.25〜0.35[g/cm3]、音速200〜400[m/s]に設定することが要求される。これらの特性は有機ガラスの乾燥ゲルを用いることにより容易に達成することができる。 Next, the second matching layer will be described. Also for the second matching layer, the density is set to 0.25 to 0.35 [g / cm 3 ] and the sound speed is set to 200 to 400 [m / s] from the characteristics such as transmission / reception sensitivity and reception waveform of the ultrasonic transducer. Is required. These properties can be easily achieved by using a dry gel of organic glass.
以下に、この種の音響整合層を構成する有機ガラスの乾燥ゲルについて説明する。 Below, the dry gel of the organic glass which comprises this kind of acoustic matching layer is demonstrated.
音響整合層としての有機ガラスの乾燥ゲルとしては、音速が小さく、密度の低いことが要求される。このような有機ガラスの乾燥ゲルを形成するには、有機合成法が適している。まず原料となる、エトキシシランあるいはメトキシシランなどのガラス原料を、触媒を用い十分活性な状態で、メチルあるいはエチルなどのアルコ−ル系溶媒に、分散させる。この溶液をアンモニア水などの触媒を添加し、有機ガラスの原料とし、十分に脱気したセラミック多孔体に含浸させ、熟成させ、溶媒を多く含んだ有機ガラスの湿潤ゲルを得る。この様子を図6に示す。25はセラミック多孔体を、26はリング状の型枠を、27はゲルが固着しないテフロン(登録商標)製の孔開き円板上の治具を、28は同じくテフロン(登録商標)製の台座を、29は同じくテフロン(登録商標)製の上蓋を示す。上記で説明したように、この状態で十分に脱気し、有機ガラスの原料を注入、ゲル化を待って、湿潤ゲルを得る。 The organic glass dry gel as the acoustic matching layer is required to have a low sound speed and a low density. An organic synthesis method is suitable for forming such a dry gel of organic glass. First, a raw material glass material such as ethoxysilane or methoxysilane is dispersed in an alcohol solvent such as methyl or ethyl in a sufficiently active state using a catalyst. This solution is added with a catalyst such as aqueous ammonia to be used as a raw material for organic glass, impregnated in a sufficiently degassed ceramic porous body, and aged to obtain a wet gel of organic glass containing a large amount of solvent. This is shown in FIG. 25 is a ceramic porous body, 26 is a ring-shaped mold, 27 is a jig on a Teflon (registered trademark) perforated disk to which gel is not fixed, and 28 is a base made of Teflon (registered trademark). , 29 is an upper lid made of Teflon (registered trademark). As explained above, in this state, it is sufficiently degassed, an organic glass raw material is injected, and after waiting for gelation, a wet gel is obtained.
この湿潤ゲルは、セラミック多孔体内部および図7の30で示したリング状の型枠で囲まれた空間部分に形成される。このように湿潤ゲルは、セラミック多孔体の内部および上部に連続して形成される。このように連続して形成された有機ガラスは、セラミック多孔体およびリング状の型枠に強固に密着することになり、信頼性の高い音響整合層として機能させることができる。この湿潤ゲルの内部の溶媒を乾燥し、有機ガラスの乾燥体を得る。このようにして、音速が小さく、密度の低いこと有機ガラスを形成する。 This wet gel is formed inside the ceramic porous body and in the space surrounded by the ring-shaped mold shown by 30 in FIG. In this way, the wet gel is continuously formed in and on the ceramic porous body. The organic glass formed continuously in this manner is firmly adhered to the ceramic porous body and the ring-shaped mold, and can function as a highly reliable acoustic matching layer. The solvent inside the wet gel is dried to obtain a dried organic glass. In this way, an organic glass having a low sound speed and low density is formed.
なお、より信頼性を高めるために、第1整合層、第2整合層およびリング状の型枠からなる音響整合層は、疎水化処理を行う。疎水化処理は、シランカップリング剤を用いて行う。これにより、高湿条件下での水分に浸入を抑え、内部に結露することがなく、安定な特性の超音波振動子を実現できる。 In order to further improve the reliability, the acoustic matching layer including the first matching layer, the second matching layer, and the ring-shaped mold is subjected to a hydrophobic treatment. The hydrophobic treatment is performed using a silane coupling agent. As a result, it is possible to realize an ultrasonic transducer having stable characteristics without suppressing infiltration into moisture under high humidity conditions and without causing condensation inside.
なお、リング状の型枠のないセラミック多孔体上に有機ガラスを形成しても、接着強度が弱いため、音響整合層として使用している間に剥離することが多く発生した。また、取扱い中に上面、下面などのコ−ナ−部分を破損したりすることもあった。
このようにセラミック多孔体の外周部にリング状の型枠を設け、セラミック多孔体の内部から連続して有機ガラスを、セラミック多孔体の上部に形成することが信頼性の高い音響整合層を得るためには肝要である。
Even when organic glass was formed on a ceramic porous body without a ring-shaped mold, the adhesive strength was weak, so that it often occurred during use as an acoustic matching layer. In addition, corners such as the upper and lower surfaces may be damaged during handling.
In this way, a ring-shaped mold is provided on the outer peripheral portion of the ceramic porous body, and an organic glass is continuously formed from the inside of the ceramic porous body to obtain a highly reliable acoustic matching layer. In order to do so, it is essential.
なお、この種の有機ガラスは、上記の酸化ケイ素系以外の、酸化チタン、ジルコニア、アルミナなどでも、上記と同様にして有機ガラスを得ることができる。 It should be noted that this kind of organic glass can be obtained in the same manner as described above even when titanium oxide, zirconia, alumina, or the like other than the above-described silicon oxide type is used.
以上のように、本発明にかかる超音波振動子は、有機ガラスの乾燥ゲルとセラミック多孔体とからなる第1の整合層と第2の整合層とをリング状の型枠で周囲を取り囲む構成の音響整合層を有しているので、超音波感度が大きく、熱サイクルなどにおいても、クラックあるいは剥離などが発生しにくい、長期信頼性に優れた超音波振動子を実現することができる。また、取扱い中に破損することも無く、歩留まりよく製造することができる。 As described above, the ultrasonic transducer according to the present invention has a configuration in which the first matching layer and the second matching layer made of the dried organic glass gel and the ceramic porous body are surrounded by the ring-shaped mold. Therefore, it is possible to realize an ultrasonic vibrator that has high ultrasonic sensitivity and is less susceptible to cracking or peeling even in a thermal cycle and has excellent long-term reliability. Moreover, it can be manufactured with good yield without being damaged during handling.
従って、本発明の超音波振動子は、超音波流量計などの用途にも適用できる。 Therefore, the ultrasonic transducer of the present invention can be applied to uses such as an ultrasonic flow meter.
1 超音波振動子
2 缶ケ−ス
3 圧電体
4 音響整合層
5 セラミック多孔体
6 有機ガラスの乾燥ゲル
7 リング状の型枠
DESCRIPTION OF
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005037139A JP2006226681A (en) | 2005-02-15 | 2005-02-15 | Ultrasonic vibrator, its manufacturing method and ultrasonic flowmeter |
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- 2005-02-15 JP JP2005037139A patent/JP2006226681A/en active Pending
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