JP2008157850A - 超音波振動子とその製造方法と超音波流速流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は超音波振動子に関するものであり、高感度で温度特性に優れた超音波振動子を提供することにある。
【解決手段】超音波振動子１を、圧電体３と中空体と乾燥ゲルとからなる音響整合層４とか構成し、温度特性に優れた、高感度な超音波振動子を実現した。また、高精度な超音波流速・流量計をも実現した。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流速を計測する超音波流速計や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。特に、音響整合層に関するものである。

従来、この種の超音波振動子は、図７に示すような構成であった。図７は、超音波振動子１０１の外観を示し、１０２は矩形状の圧電体１０３を収納するキャップ状の缶ケ−スを示す。１０４は、缶ケ−ス１０２上の設けられた音響整合層を示す。音響整合層１０４は、中空体と樹脂との混合体で構成されている。１０５は缶ケ−ス１０３と溶接接合された台座を、１０６は電極端子１０７と圧電体１０２とを電気的に接続する導電性ゴムを、１０８は電極端子１０７と台座１０５とを電気的に絶縁する封入ガラス部を、１０９は缶ケ−ス１０２、台座１０５とを電気的に接続する接地端子をそれぞれ示す（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−４５４４１号公報

このような構成の従来の超音波振動子１０１では、音響整合層１０４が、バル−ン状の中空体とエポキシ樹脂などの樹脂との混合体で構成されていたため、比較的低い樹脂のガラス転移点のため、超音波振動子としての温度特性が悪い。あるいは、樹脂の密度が比較的大きいため、音響特性が不十分となり超音波振動子の感度を大きくとれないなどの課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、温度特性に優れ、かつ、感度の大きい超音波振動子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、中空体と乾燥ゲルからなる音響整合層とを備えた構成とした。

この構成により、通常の使用温度範囲にガラス転移点を持たない乾燥ゲルを用いているため、超音波振動子は優れた温度特性を示す。また、エポキシ樹脂に比べ低密度の乾燥ゲルで音響整合層を構成しているので、感度の大きい超音波振動子を実現できる。

本発明の超音波振動子は、温度特性に優れ、感度を大きくとることができる。

第１の発明は、超音波振動子を圧電体と、中空体と乾燥ゲルからなる音響整合層とを備えた構成とした。音響整合層を、低密度、低温度膨張係数を有する乾燥ゲルで構成したので、温度特性に優れた、高感度の超音波振動子を実現することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の中空体を樹脂バル−ンなどの有機材料で構成することにより、より低密度の音響整合層を実現することができ、さらに高感度な超音波振動子を実現することができる。

第３の発明は、特に第１の発明の中空体をガラスバル−ン、セラミックバル−ンなどの
無機材料で構成し、構成材料の軟化点などを大きく改善することができ、温度特性に優れた超音波振動子を実現することができる。

第４の発明は、特に第１の発明の中空体直径を、超音波波長の１／１０以下とし、超音波の伝播損失を改善し、より高感度な超音波振動子を実現することができる。

第５の発明は、特に第１の発明の中空体を、種々の直径を有する中空体で構成するようにしたため、中空体の充填率を大きくすることができ、より高感度な超音波振動子を実現することができる。

第６の発明は、特に第１の発明の乾燥ゲルは、オルガノ金属を３次元ネットワ−ク合成により構成とした。これにより低密度で、温度膨張係数の小さい音響整合層を構成することができ、温度特性に優れた、高感度な超音波振動子を実現することが出来る。

第７の発明は、特に第６の発明の乾燥ゲルを、疎水化処理する構成とした。この構成により、耐湿特性に優れた超音波振動子を実現することができる。

第８の発明は、特に、第１の発明の音響整合層を圧電体などに接着固定する際に、予め音響整合層にエポキシなどの接着剤を薄く含浸させた後、接着する構成とした。この構成により、接着剤の音響整合層への浸透が制御され、特性の安定した超音波振動子を実現することができる。

第９の発明は、特に、第１〜第８の発明のいずれか１つの発明の超音波振動子を次の製造方法とした。即ち、空体を充填するする工程と、中空体の間隙に乾燥ゲルを形成し、音響整合層とする工程と、音響整合層を圧電体に接着固定する工程とを有する超音波振動子の製造方法である。

この構成により、安定した特性を有する音響整合層を歩留まりよく実現することができ、特性の安定した超音波振動子を実現することができる。

第１０の発明は、特に第１〜９の発明のいずれか１つの発明の超音波振動子、一対を用い、流体の流れる流路の上流側と下流側とに配置し、超音波流速・流量計を構成した。この構成により、高精度な超音波流速・流量計を実現することができる。

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。

（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。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。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５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６は圧電体３の下面電極と端子７とを電気的に接続している。端子７は、ハ−メチックシ−ルなどの絶縁性材料８により台座５に固定されている。他方の端子９は、台座７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。図２に、φ１０．８［ｍｍ］、厚さ０．７５［ｍｍ］の音響整合層４の要部拡大図を示す。音響整合層４は、中空体１０と、多孔質な乾燥ゲル１１とから構成した。

なお、この構成において、缶ケ−ス２と音響整合層４とはエポキシ系接着剤を用いて接着固定した。

この構成により、低密度で超音波の伝搬速度の遅い音響整合層とすることができ、具体的には、密度が０．２〜０．４［ｇ／ｃｍ^３］、超音波の音速が１０００〜２０００［ｍ／ｓｅｃ］を実現することができた。これにより、従来の超音波振動子に比べ、出力が１．５〜５．０倍もの高感度な超音波振動子を実現することができた。なお、従来のガラスバル−ンとエポキシ樹脂とからなる音響整合層では、密度が約０．５［ｇ／ｃｍ^３］、超音波の伝搬速度が約２４００［ｍ／ｓｅｃ］であった。

（実施の形態２）
音響整合層４に用いる中空体１０を、樹脂バル−ンなどの有機材料で構成することにより、より低密度で、超音波の伝搬速度をより遅くすることができるので、より高感度な超音波振動子を実現することができる。即ち、樹脂の場合、無機材料に比べ密度が小さく、また、薄く成形しやすいため、より低密度な音響整合層を形成することができる。

また、樹脂バル−ンの場合、さらに、一般に無機材料に比べ、弾性係数が小さい（軟らかい）ため、残響が残りにくいという残響特性に優れた超音波振動子をも実現することができる。

（実施の形態３）
音響整合層４に用いる中空体１０を、ガラスバル−ン、セラミックバル−ンなどの無機材料で構成することにより、より温度特性に優れた、高感度な超音波振動子を実現することができる。即ち、無機材料は、一般的に有機材料に比べ、融点あるいは軟化点が大きいため、超音波振動子の使用温度範囲、例えば、−３０［℃］〜＋８０［℃］、において特性が変化することがないので、温度特性に優れた、高感度な超音波振動子を実現することができる。また、樹脂バルーンなどの有機材料に比べ、弾性係数が大きい（硬い）ので、共振が深くなり、立上がりの良好な超音波振動子をも実現することができる。

図３および図４に、実施の形態２および３に示した超音波振動子の感度の温度特性および受信波形をそれぞれ示す。

図３は、横軸に温度、縦軸に超音波振動子の感度を示す。○印１２は無機材料からなるバルーンで構成された音響整合層を有する超音波振動子の結果、△印１３は有機材料からなるバルーンで構成された音響整合層を有する超音波振動子の結果を示す。図３の結果から、△印１３の超音波振動子は、○印１２の超音波振動子に比べ、感度は若干大きいが、高温側、３０［℃］、で若干の感度が認められた。なお、この感度低下は実用上問題となる程度ではなかった。高温側で感度が低下しているのは超音波振動子を構成する圧電体の特性と考えられる。なお、破線１４で示す従来の超音波振動子の特性に比べ、温度特性は大きく改善されていることが解る。また、感度も大きく改善されていることが解る。

図４に、横時を時間、縦軸に超音波振動子の受信電圧からなる受信波形を示す。図４（ａ）は無機材料からなるバルーンで構成された音響整合層を有する超音波振動子の受信波形を示す。図４（ｂ）は有機材料からなるバルーンで構成された音響整合層を有する超音波振動子の受信波形を示す。

また図４（ａ）は、立上がりが急峻であり、若干残響の大きい受信波形を示す。図４（ｂ）は立上がりが若干なだらかで、残響の少ない受信波形を示している。このように中空体を構成する材料を有機材料系、あるいは無機材料と選択することにより、ある程度の感
度、受信波形を制御することができる。即ち、各種の用途に合った超音波振動子を実現することができる。

（実施の形態４）
図２に示した音響整合層に用いる中空体について説明する。本発明の超音波振動子の音響整合層では、中空体の直径は音響整合層を伝搬する超音波の波長の１／２０（二十分の一）以下となるようにした。例えば、音響整合層の厚さが０．７５［ｍｍ］、超音波の伝搬速度が１５０００［ｍ／ｓｅｃ］とし、超音波の周波数を５００［ｋＨｚ］とすると、伝搬する超音波の波長は、３［ｍｍ］となる。この場合には、超音波の波長の１／２０は０．１５０［ｍｍ］となる。この値より大きい中空体で音響整合層を構成すると、中空体界面で超音波が効率よく散乱されるようになり、伝搬損失が増加することになる。

（実施の形態５）
図２に示した音響整合層に用いる中空体について説明する。本発明の超音波振動子の音響整合層では、中空体は直径の異なるものを混合して用いると、中空体の充填率が向上し、さらに低密度な音響整合層を構成することができる。即ち、単一の直径からなる中空体で構成すると、中空体は最密充填構造となるが、中空体と中空体との間に間隙ができ、その部分に乾燥ゲルが形成されることになる。

従って、主たる直径の中空体に対し、その直径の１／１０〜１／５程度の中空体を、体積比率で約１／１００〜１／５０程度混合することにより、中空体の充填率が向上し、混合する乾燥ゲルが少なくなり、より低密度の音響整合層を構成することができる。

（実施の形態６）
図２に示した音響整合層に用いる乾燥ゲルについて説明する。

音響整合層として用いる乾燥ゲルは、音速が小さく、密度の低いことが要求される。エトキシシランあるいはメトキシシランなどの有機溶液からなるガラス原料を、塩酸系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。このとき、エトキシシランあるいはメトキシシランなどの有機原料は、一元鎖に合成されるといわれている。この分散された溶液をアンモニア水などの塩基性触媒を添加するとともに、予めテフロン（登録商標）などの反応しない材料で作成された型枠に充填さえた中空体に流し込み、含浸させる。この状態で、４０〜５０［℃］、３〜６［ｈ］を保持すると、中空体を多く含んだ有機原料が３次元的に合成された湿潤ゲルが得られる。

この湿潤ゲルを再度、エトキシシランあるいはメトキシシランなどの原料溶液とアンモニアなどの塩基性触媒とを用い、再度有機ガラスを形成すると、湿潤ゲルを乾燥させても、収縮しない、即ち、体積変化の殆どしない乾燥ゲルが得られる。このようにして得られ乾燥ゲルは多孔質で密度は０．１〜０．５［ｇ／ｃｍ^３］のが非常に軽いものとなる。また、含まれる空孔の径は、０．０１〜１．０［μｍ］程度の非常に小さい細孔が形成される。また、超音波の伝搬速度も１００〜４００［ｍ／ｓｅｃ］もの非常に低速度のものが得られる。このように得られる乾燥ゲルは低密度で、かつ、超音波の伝搬速度も遅いため、音響整合層の構成材料には非常に適している。

なお、この乾燥ゲルを使用目的に応じて、疎水化処理などを施すことがある。疎水化処理は、ジメチルジエトキシシラン溶液とアンモニアなどの塩基性触媒などを用い実施した。

即ち、疎水化処理を施すことにより、耐湿性が向上し、乾燥ゲルが水、水分などの影響により特性が劣化することが無くなる。高温高湿放置、あるいは高温高湿動作などの信頼
性にたいしても充分な強度を確保することができ、信頼性の高い、特性劣化のしない超音波振動子を実現できる。

（実施の形態７）
図１に示した音響整合層４と缶ケ−ス２との接着について説明する。音響整合層を、中空体と多孔質な乾燥ゲルとで構成しているため、エポキシなどの接着剤で接着しようとすると、例えば、缶ケ−ス２の表面にエポキシ接着剤を適量塗布し、その上に音響整合層４を貼り合せたとすると、加熱硬化時に、流動性のあるエポキシ接着剤は多孔質な乾燥ゲルの表面張力により乾燥ゲル内部に吸い上げられる結果となる。即ち、缶ケ−ス上のエポキシなどの接着剤は全て吸い上げられ、接着界面から除去されることになる。このため接着が安定しないことが生じる。

このため、まず音響整合層４の表面にエポキシなどの接着剤を約５〜１０［μｍ］程度、薄く塗布し、エポキシ接着剤が効かないテフロン（登録商標）板上で加熱硬化する。このようにして音響整合層４の表面に、表面張力により局在化した薄いエポキシ硬化層を形成する。次に、缶ケ−ス２上にエポキシなどの接着剤を適量、５〜３０［μｍ］程度塗布し、上記のエポキシ硬化層を有する音響整合層を貼り合せ、加熱硬化する。

この場合、予めエポキシ硬化層が形成されているので、新たに塗布したエポキシ接着剤が表面張力により、乾燥ゲル内部に吸い上げられることは無くなり、接着界面に充分な接着剤を確保することができるので、安定した接着を実現できる。接着層の厚さ、あるいは接着強度も安定し、歩留まりよく高感度な超音波振動子を実現することができる。

（実施の形態８）
本発明に基づく音響整合層の製造について説明する。

図５は、音響整合層形成治具１５を示す。１６は円筒状のテフロン（登録商標）容器、１７は振動充填あるいは圧縮充填された種々の直径からなる中空体を示す。１８はろ紙などの中空体を保持するフィルタ、１９はろ紙などのフィルタ１８を保持するＳＵＳ製のメッシュを示す。まず最初に適当な円筒型テフロン（登録商標）などの容器に、中空体を充填し、ろ紙、メッシュなどで分散しないように固定する。

次に、中空体の間隙に存在する空気を真空脱気する。この場合、真空容器内に音響整合層形成治具１５を収納し、数百Ｐａ以下まで充分に脱気することが必要である。充分に脱気していない場合、内部に空気が残留することになり、超音波の伝搬損失を発生させる要因となる。

次に、真空容器内に、上述した一元鎖の乾燥ゲル原料を注入する。この場合、真空容器には外部から空気を入れないようにすることが肝要である。このようにして、中空体を多く含む湿潤ゲルが形成される。

上述したように、この湿潤ゲルを再度、エトキシシランあるいはメトキシシランなどの原料溶液とアンモニアなどの塩基性触媒とを用い、再度有機ガラスを形成すると、湿潤ゲルを乾燥させても、収縮しない、即ち、体積変化の殆どしない中空体を含む乾燥ゲルからなる音響整合層が得られる。

次に、上述したように、音響整合層の接着面にエポキシなどの接着剤の薄い含浸層を形成した後、缶ケ−ス上に接着固定し、高感度超音波振動子として製造した。

（実施の形態９）
図６は、本発明の実施の形態９における超音波流速・流量計の断面図を示す。

２０は超音波流速・流量計の断面図を示し、２１は流体の流れる流路、２２上流側に設けられた本発明に基づく超音波振動子、２２は下流側に設けられた本発明に基づく超音波振動子。なお、実線の矢印２４は流体の流れる方向を、破線の矢印２５は上流側の振動子２２と、下流側の振動子２３との間での超音波の伝搬する方向をそれぞれ示す。図中のθは、流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向との交差角を示す。

この構成において、上流側の超音波振動子２２から超音波を送信し、下流側の超音波振動子２３で受信し、また下流側の超音波振動子２３から超音波を送信し、上流側の超音波変換器２２で受信するよう交互に送受信を繰り返している。このとき、上流側の超音波振動子２２から下流側の超音波振動子２３への超音波の伝搬時間をＴｕｄ、下流側の超音波振動子２３から上流側の超音波振動子２２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は超音波振動子間の距離を示す。

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。

よって、
Ｖｆ＝｛Ｌｄ／［２・ｃｏｓ（θ）］｝＊［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
となり、流体の流速Ｖｆが得られる。

さらに、流路２０の断面積Ｓｒを乗じると、流量Ｑｍとなる。

即ち、
Ｑｍ＝Ｓｒ＊Ｖｆ
が、計測した流量値となる。このように超音波振動子間の距離Ｌｐ、および流路２０の断面積Ｓｒは、予めわかっているので、上述のように流路２０を流れる流体の流速Ｖｆおよび流量Ｑｍが計測されることになる。

本発明の超音波振動子を用いることにより、即ち、中空体と乾燥ゲルとからなる音響整合層を有する超音波振動子では、従来の超音波振動子に比べ出力特性が大きいので、Ｓ／Ｎよく流体の流速・流量を計測することができる。このため、高精度な超音波流速・流量計が実現できる。また、音響整合層と缶ケ−スとが強固に接合されているので、機械的強度も大きくので、信頼性の高い超音波流速・流量計を実現することができる。また、乾燥ゲルを疎水化することにより良好な耐湿特性を達成できるので、信頼性にも優れた超音波流速・流量計を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる超音波振動子は、出力特性が大きく、また、音響整合層と缶ケ−スとが強固に接合されているので、信頼性にも優れた高性能な超音波流速・流量計をも実現できる。従って、長期信頼性を要求される家庭用ガスメ−タなどの用途の適用
できる。

また、各種の気体の流速あるいは流量を計測する計測器へも適用できる。

本発明の実施の形態１における超音波振動子の断面図 本発明の実施の形態１における音響整合層の一部拡大図 本発明の実施の形態２および３における超音波振動子の特性図 （ａ）本発明の実施の形態３における超音波振動子の受信波形図（ｂ）本発明の実施の形態２における超音波振動子の受信波形図 本発明の実施の形態８における音響整合層形成治具を示す図 本発明の実施の形態９における超音波流速・流量計の断面図 従来の超音波振動子の断面図

符号の説明

１ 超音波振動子
２ 缶ケース
３ 圧電体
４ 音響整合層
１０ 中空体
１１ 乾燥ゲル

Claims (10)

1. 圧電体と、中空体と乾燥ゲルからなる音響整合層とを備えた超音波振動子。
2. 中空体は樹脂バル−ンなどの有機材料で構成された請求項１記載の超音波振動子。
3. 中空体はガラスバル−ン、セラミックバル−ンなどの無機材料で構成された請求項１記載の超音波振動子。
4. 中空体直径は、超音波波長の１／１０以下である請求項１載の超音波振動子。
5. 中空体は、複数の直径群からなる請求項１記載の超音波振動子。
6. 乾燥ゲルは、オルガノ金属を３次元ネットワ−ク合成した請求項１記載の超音波振動子。
7. 乾燥ゲルは、疎水化処理されてなる請求項６記載の超音波振動子。
8. 音響整合層に予め含浸層を形成したのち接着されてなる請求項１記載の超音波振動子。
9. 請求項１〜８記載のいずれかに記載の超音波振動子の製造法であって、中空体を充填するする工程と、前記中空体の間隙に乾燥ゲルを形成し音響整合層とする工程と、前記音響整合層を圧電体に接着固定する工程とを含む超音波振動子の製造方法。
10. 流体の流れる流路の上流側と下流側とに、請求項１〜８記載の一対の超音波振動子を配置してなる超音波流速流量計。