JP2008193292A - 音響整合層とそれを用いた超音波振動子および超音波流速・流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、気体液体などの流体の流量を計測する超音波振動子に用いられる音響整合層に関するものであり、多孔質な音響整合層を接着する場合に、接着剤が音響整合層に吸い上げられ接着不良となるのを防ぎ、安定な特性の超音波振動子を提供することである。
【解決手段】本発明の超音波振動子は、音響整合層１の接着面に緻密層２を有する構成としたので、接着剤で接着する場合に、接着剤が音響整合層１に吸い上げられることが無くなり、安定した特性の超音波振動子とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体液体などの流体の流量を計測する超音波振動子に用いられる音響整合層および、この音響整合層を用いた超音波振動子と超音波流速・流量計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の断面図を示し、１０２は正方柱状の圧電体１０３を収納するキャップ状の缶ケースを示す。１０４は、缶ケース１０２上の設けられた２層からなる音響整合層を示す。１０５はセラミック多孔体を、１０６はセラミック多孔体に内包された多孔性の有機ガラスの乾燥ゲルを示す。１０７は缶ケース１０３と溶接接合された台座であり、１０８は電極端子１０９と圧電体１０２とを電気的に接続する導電性ゴムである。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である。１１１は、缶ケース１０３と台座１０７とを電気的に接続する接地端子を示している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−４５３８９号公報

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、缶ケース１０２の天面に、エポキシなどの接着剤により接着されている。音響整合層１０４がセラミック多孔体１０５と、そのセラミック多孔体に内包された多孔性の有機ガラスの乾燥ゲル１０６から構成されているため、エポキシなどの接着剤が加熱硬化時に温度上昇とともに接着剤の粘性が急激に低下し、接着剤が表面張力により吸い上げられ、音響整合層１０４と缶ケース１０２との界面から接着剤が無くなり、その結果、接着不十分となり、超音波振動子１０１の感度が不安定となるとい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、接着剤が吸い上げられることのない音響整合層と、その音響整合層からなる超音波振動子を提供し、安定な感度が得られる超音波振動子および高精度な超音波流速・流量計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、平板状の第１の多孔体と、前記第１の多孔体に内包された第２の多孔体とからなり、前記平板の少なくとも１主面に緻密層を有する音響整合層を有する構成とした。

この構成により、音響整合層を接着する際に、前記緻密層がエポキシなどの接着剤の音響整合層への浸透を抑制するように働き、エポキシなどの接着剤が音響整合層と缶ケースとの界面から無くなることがなくなり、安定した接合が得られ、感度の安定した超音波振動子を実現することができる。

また、この超音波振動子を用いることにより、信頼性の高い超音波流速・流量計をも構成することができる。

本発明の超音波振動子は、上記構成であるため、音響整合層を強固に缶ケースに接合することができ、信頼性、特に長期信頼性にも優れた特性を有することになる。また、安定
した感度が得られるので、この超音波振動子を用いることにより、信頼性の高い、高精度な超音波流速・流量計を構成することができる。

第１の発明は、音響整合層を平板状の第１の多孔体と、前記第１の多孔体に内包された第２の多孔体とから構成し、前記平板の少なくとも１主面に緻密層を形成する構成とした。この構成により、音響整合層を缶ケースなどに接合する際に、エポキシなどの接着剤が音響整合層の緻密層に浸透を抑制されるため、音響整合層に浸透することがなくなり、強固な接合が得られ安定した感度の得られる超音波振動子を実現することができる。また、強固な接合が得られるので、長期信頼性にも優れた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の発明の第１の多孔体を、ゾルゲル法で形成した連通孔を有する非酸化物系セラミックとした。

この構成により、連通孔を有する多孔質なセラミックを容易に形成することができ、その内部に効率よく第２の多孔体を形成することができ、特性の優れた音響整合層を実現することができる。また、強度の弱い第２の多孔体を保護する形状とすることができ、音響整合層を実用可能な強度とすることができる。

第３の発明は、特に第１の発明の第２の多孔体を第１の多孔体中にゾルゲル反応溶液を含浸させて形成する構成とした。この構成により、第１の多孔体の内部に効率よく第２多孔体を形成することができ、特性の優れた音響整合層を実現することができる。

第４の発明は、特に第１の発明の緻密層を、加熱硬化型の接着剤を含浸させ、予め加熱硬化し形成する構成とした。この構成により、緻密層を簡単に形成することができる。これにより、音響整合層を缶ケースなどに接合する場合に、接着剤などが音響整合層に浸透することがなくなり、強固な接合が得られる。

第５の発明は、特に第４の発明の緻密層の厚さを、用いる超音波の波長の１／１００以下とする構成とした。この構成により、音響特性に優れた音響整合層を形成することができ、特性の優れた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の発明の平板状の音響整合層の側面に緻密層を設けた構成とした。この構成により、音響特性を損なうことなく、音響整合層の側面に実用上充分な強度を確保することができ、特性の優れた超音波振動子を実現できる。

第７の発明は、特に第１の発明の平板状の音響整合層の両方の主面に緻密層を設けた構成とした。この構成により、音響特性を損なうことなく実用上充分な強度を有する音響整合層を実現することができ、特性の優れた超音波振動子を実現できる。

第８の発明は、特に第１から７のいずれか１つの発明の音響整合層を有天筒状のケースの天面外側に接合し、且つ、前記有天筒状のケースの天面内側に圧電体を接合し、超音波振動子を構成した。これにより、音響特性に優れた超音波振動子を実現できる。

第９の発明は、特に第８の発明の超音波振動子一対を、流体の流れる流路の上流側と下流側とに流体を挟んで対向して備える構成とした。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における音響整合層の断面図を示す。図１において、１は外径１１［ｍｍ］、厚さ０．７５［ｍｍ］の音響整合層を、２は音響整合層の下面に形成された厚さ３０［μｍ］の緻密層を示す。

図２に、音響整合層４の詳細図を示す。図２（ａ）に示す３は連通孔からなる気泡を多く含んだセラミック多孔体を、図２（ｂ）に示す４は有機ガラスなどで形成された多孔質有機ガラスを、図２（ｃ）に示す５はセラミック多孔体３の内部に、多孔質の有機ガラスが形成されている様子を示している。図２（ｄ）は音響整合層１と、音響整合層１の下面に形成された緻密層を示す。

以下、簡単にこの種の音響整合層に用いられるセラミック多孔体３について説明する。

セラミック多孔体３に要求される特性は、密度が小さく、即ち、気孔率が大きく、気孔径分布が一様で、且つ、分布に偏りがないことが重要でとなる。このようなセラミック多孔体３を形成するには、気泡を多く含むセラミックスラリーを固化させ、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ーが形成される。このとき、分散剤、滑剤、増粘剤、糊剤などを添加してもよい。

次に、このセラミックスラリーに気泡剤を添加し、攪拌・混合し、スラリー中に、気泡を所定量導入する。なお、気泡を導入する前には、セラミックスラリーを予め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ー所定の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き飛ばすことにより多くの気泡を含むセラミック成型体が形成される。またこのとき、有機物を焼き飛ばす過程において気泡が連通孔として形成される。

その後、所定の温度、時間により、セラミック成形体を焼成する。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３を形成することができる。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。

また、非酸化物系のセラミック材料を用いると焼成前後の寸法変化が小さいため、成形性が良い。通常の酸化物系セラミック材料の場合、焼成前後の寸法は、１０〜５０［％］前後収縮するものが多いが、非酸化物系の材料の場合、焼成において若干酸化し、体積が増加するためか、焼成前後の寸法変化が、おおよそ１０［％］以下に収まる場合が多いので、この種の目的のセラミック多孔体として非常に適していることになる。このようにして、音響整合層１に適した気孔率が約８５［％］以上のセラミック多孔体３が得られる。

次に、多孔質有機ガラスについて説明する。音響整合層１に用いられるものとしては、音速が遅く、密度の小さいことが要求され、多孔質有機ガラスが適している。多孔質有機ガラスは、次のようにして準備する。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−ル系溶媒に希釈・分散させる。この希釈・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、セラミック多孔体３に流し込む。この状態で、４０〜５０［℃］、３〜６［ｈ］保持すると、セラミック内部に多孔質な湿潤ゲルが形成される。

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、再度多孔質有機ガラスとして形成すると、乾燥させても、収縮しない、即ち、体積変化の殆どしない多孔質有機ガラスが得られる。この多孔質有機ガラス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。このようにして多孔質有機ガラスを内包するセラミック多孔体３が得られる。なお、音響整合層１の密度は約０．４７［ｇ／ｃｍ^３］、セラミック多孔体３の密度は約０．３０［ｇ／ｃｍ^３］、有機ガラスの密度は約０．２０［ｇ／ｃｍ^３］であった。

このようにして得られた音響整合層１の一主面にエポキシなどの接着剤を印刷、あるいは転写などで形成し、テフロン（登録商標）などの反応しない平板上において、加熱硬化し、緻密層２を形成した。なお、緻密層２は、用いる超音波波長の（１／１００）以下となるようにした。超音波波長の（１／１００）以下であれば、音響的に厚さを無視することができ、音響特性を損なうことがない。

以上説明したように、第１の多孔体と、前記第１の多孔体に内包された第２の多孔体とからなる多孔質な音響整合層１が得られる。また、１主面に緻密層２が形成されているので、音響整合層１を缶ケースなどに接合する際に、エポキシなどの接着剤が音響整合層１の緻密層２に浸透を抑制され、音響整合層１に浸透することがなくなり、強固な接合が得られ安定した感度の得られる超音波振動子を実現することができる。また、強固な接合が得られるので、長期信頼性にも優れた超音波振動子を実現することができる。

なお、上記実施の形態１において、緻密層２をエポキシなどの接着剤で形成したが、ガラスあるいは金属などのスパッタ膜、蒸着膜、ＣＶＤ膜などで形成しても良い。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における超音波振動子の断面図を示す。図３において、６は超音波振動子を、７は有天筒状の缶ケースを、８は缶ケース７の内面に接合された圧電体を、台座部９は缶ケース７と周辺部で溶接され、圧電体８を密封する構成とした。導電性のゴム１０は圧電体８の下面電極と端子１０とを電気的に接続している。端子１１は、ハーメチックシールなどの絶縁性材料１２により台座９に固定されている。他方の端子１３は、台座９に直接固定され、缶ケ−ス７を介して、圧電体８の上面電極に接続される構成とした。

なお、この構成において、音響整合層１５と缶ケース７とはエポキシ系接着剤を用いて接着固定した。図４に、このようにして作成した超音波振動子の断面写真を示す。図４（ａ）は、本発明に基づく緻密層１４を有する音響整合層１５と缶ケース１６とを示す。緻密層１４と缶ケース１６との中間にエポキシからなる接着層１７がはっきりと観察された。なお、１８はセラミック多孔体部分を示し、セラミック多孔体１８の気孔内に見える球状の部分１９は多孔質の有機ガラスを示す。図４（ｂ）は、従来の緻密層１４を持たない音響整合層２０を示す。２１は缶ケースを、２２は音響整合層２０に浸透したエポキシ接着層を示す。

図４（ａ）に見られるように、本発明に基づく緻密層１４を有する音響整合層１５からなる超音波振動子では、音響整合層１５と缶ケース１６との界面に接着層１７が十分存在
し、強固な接合がなされていることがわかる。一方、従来の緻密層１４のない音響整合層２０からなる超音波振動子では、音響整合層２０と缶ケース２１との界面に存在するべき接着剤は音響整合層２０に表面張力により吸い上げられ音響整合層２０内にエポキシ層２０が形成され、音響整合層２０と缶ケース２１との界面にあるべきエポキシ層がなくなっていることがわかる。このため、従来の緻密層１４を持たない従来の音響整合層２０では、音響整合層２０が缶ケース２１と充分な強度で接合されることが困難である。

図５にこれらの超音波振動子の出力特性を示す。図５において、横軸はサンプル番号を、縦軸に出力特性値（相対値）を示す。図５（ａ）の●２３は、本発明に基づく緻密層１４を有する音響整合層１５からなる超音波振動子、ｎ＝９個の出力特性の結果を示す。平均値（相対値）は６２．０、標準偏差は２．９、即ち、出力値（相対値）は６２．０±２．９であった。

図５（ｂ）の「□２４」は従来の緻密層１４を持たない音響整合層２０からなる超音波振動子、ｎ＝９個の出力特性の結果を示す。平均値（相対値）は４７．９、標準偏差は５．８、即ち、出力値（相対値）は４７．９±５．８であった。

このように本発明に基づく緻密層１４を有する音響整合層１５からなる超音波振動子は、従来の緻密層１４を持たない音響整合層２０からなる超音波振動子に比べ、出力値が大きく、バラツキは小さくなるという効果が得られた。

これらの結果は、緻密層１４を有する音響整合層１５では、接合する際にエポキシなどの接着剤が緻密層１４があるために多孔質な音響整合層１５に浸透することなく、音響整合層１５と缶ケース７との界面に存在し、強固な接合がなされたと考えることができる。

一方、従来の緻密層１４を持たない音響整合層２０では、エポキシなどの接着剤が、多孔質な音響整合層２０に吸い上げられ、音響整合層２０と缶ケース７との界面から無くなり、充分な接合が得られなかった結果と考えられる。即ち、接着不良が発生し、出力値が低下するとともにバラツキが増大したものと考えられる。

なお、緻密層１４は音響整合層１５の上面および下面の両方にあっても良い。この場合には、上面・下面と、区別する必要が無くなり、生産性が大いに向上する。また、音響性能も向上する。これは、超音波を外部に伝達する上面に薄い緻密層１４が形成されているために、外部への超音波の伝達効率が向上するためと考えられる。

また、緻密層１４が音響整合層１５の周囲の側面にあっても良い。この場合、多孔質な音響整合層１５の強度が大幅に向上することになる。即ち、超音波振動子の組立て、あるいは、素子のハンドリングなどにより破壊されることが無くなるなど実用上の価値が大きい。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３における超音波流速・流量計の断面図を示す。２５は超音波流速・流量計の断面図を示し、２６は流体の流れる流路、２７は上流側に設けられた本発明に基づく超音波振動子、２８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２９は流体の流れる方向を、破線の矢印３０は上流側の振動子２７と、下流側の振動子２８との間での超音波の伝播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、超音波の伝播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２７から超音波を送信し、下流側の超音波振動子２８で受信し、また下流側の超音波振動子２８から超音波を送信し、上流側の超音波
変換器２７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２７から下流側の超音波振動子２８への超音波の伝播時間をＴｕｄ、下流側の超音波振動子２８から上流側の超音波振動子２７への超音波の伝播時間を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２６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２６の断面積Ｓｒは、予め分かっているので、上述のように流路２６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、セラミック多孔体と多孔質な有機ガラスなどからなる音響整合層を有する超音波振動子では、出力特性が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。また、音響整合層と缶ケー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。

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、音響整合層と缶ケー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ータ、水道用メータなどの用途の適用できる。

本発明の実施の形態１における音響整合層の断面図 本発明の実施の形態１における音響整合層の断面図 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２における超音波振動子の断面を撮影した顕微鏡写真 本発明の実施の形態２における超音波振動子の特性図 本発明の実施の形態３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 音響整合層
２ 緻密層
３ セラミック多孔体
４ 多孔質有機ガラス
６ 超音波振動子
７ 缶ケース
８ 圧電体

Claims (9)

1. 平板状の第１の多孔体と、前記第１の多孔体に内包された第２の多孔体とからなり、前記平板の少なくとも１主面に緻密層を有する音響整合層。
2. 第１の多孔体を、ゾルゲル法で形成した連通孔を有する非酸化物系セラミックとした請求項１記載の音響整合層。
3. 第２の多孔体は、第１の多孔体中にゾルゲル反応溶液を含浸させて形成した請求項１記載の音響整合層。
4. 緻密層は、加熱硬化型の接着剤を含浸させ、加熱硬化し形成した請求項１記載の音響整合層。
5. 緻密層の厚さは、用いる超音波の波長の１／１００以下とする請求項１記載の音響整合層。
6. 平板状の側面に緻密層を有する請求項１記載の音響整合層。
7. 平板状の両方の主面に緻密層を有する請求項１記載の音響整合層。
8. 請求項１から５のいずれかの一項に記載された音響整合層を有天筒状のケースの天面外側に接合し、且つ、前記有天筒状のケースの天面内側に圧電体を接合してなる超音波振動子。
9. 請求項８記載の超音波振動子一対を、流体の流れる流路の上流側と下流側とに流体を挟んで対向して備える、前記一対の超音波振動子間の超音波伝播時間から前記流体の流速、あるいは、前記流速から流体の流量を演算する超音波流速・流量計。