JP2010181355A - Ultrasonic transducer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気体などの流体を介して超音波を送信し、受信するための超音波送受波器に関する。 The present invention relates to an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves via a fluid such as gas.
図9に示すように、従来の超音波送受波器41は、両面に電極42を設けた圧電体43に音響整合体44を接合して構成されており、前記電極42には電極リード45が溶接、半田付けなどで接合してある。
As shown in FIG. 9, the conventional
そのため、前記電極42間、あるいは、これら電極42に接合された電極リード45は大気中に暴露された状態となっている。
Therefore, the electrode leads 45 between the
また、図10に示す超音波送受波器46は、有天筒状金属ケース47の頂壁内面に接着剤などの接合手段48を介して圧電体49を、頂壁外面に接着剤などの接合手段50を介して音響整合体51をそれぞれ固定したものである。
In addition, the
金属ケース47の開放側には導電性の端子板52が溶接によって接合されている。この端子板52は電極端子53,54を備え、一方の電極端子53は端子板52、および金属ケース47を介して圧電体49の一方の電極55に、一方の電極端子54は絶縁材56で絶縁されて端子板52を貫通し、圧電体49の他方の電極57にそれぞれ接続されているものである。
A
電極55,57には電極端子53,54を介して電気信号が伝えられ、圧電体49がこの電気信号を振動へ変換し、そこで発生した振動を音響整合体51を通して効率よく被測定流体に伝達する。
An electrical signal is transmitted to the
そして、電極端子53,54、およびこれに接合される電極リードは電気的に大気中に暴露された状態となっている(例えば、特許文献1、2参照)。
しかしながら、前記の従来構成では、超音波送受波器が急激な温度変化による結露、降雨などで雨水に対して接触し、これより、電流が漏洩し、安定した計測が不可能となることがあった。 However, in the above-described conventional configuration, the ultrasonic transducer may come into contact with rainwater due to condensation, rain, or the like due to a rapid temperature change, thereby leaking current and making stable measurement impossible. It was.
すなわち、超音波送受波器を駆動させ、得られた信号を計測回路に伝える目的で電極端子と電極リードとを電気的に接合するが、接合方法などによっては電極リードのめっき部分よりウィスカが成長し、電極間あるいは端子間の電流の漏洩によって、安定した流量計測が不可能となる。 In other words, the electrode terminal and the electrode lead are electrically bonded for the purpose of driving the ultrasonic transducer and transmitting the obtained signal to the measurement circuit. Depending on the bonding method, whiskers grow from the plated portion of the electrode lead. However, a stable flow rate measurement becomes impossible due to leakage of current between electrodes or terminals.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、被測定流体を安定して計測できる超音波送受波器を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer that can stably measure a fluid to be measured.
上記課題を解決するため本発明は、音響整合体、圧電体、および前記圧電体の電極に電
気的に接続された電極リードを絶縁体で被覆したものである。
In order to solve the above-described problems, the present invention includes an acoustic matching body, a piezoelectric body, and an electrode lead electrically connected to an electrode of the piezoelectric body covered with an insulator.
上記した構成により、急激な温度変化による結露、降雨などで雨水に対して電極間が電気的に接触することがなく、電流が漏洩せず、被測定流体を安定的に計測することができる。 With the above-described configuration, the electrodes are not in electrical contact with rainwater due to condensation, rainfall, or the like due to a rapid temperature change, and the current to be measured can be stably measured without leaking current.
本発明によれば、安定した超音波送受波器とすることができるため、被測定流体を安定して計測することができる。 According to the present invention, since a stable ultrasonic transducer can be obtained, the fluid to be measured can be stably measured.
第1の発明は、音響整合体、圧電体、および前記圧電体の電極に電気的に接続された電極リードを絶縁体で被覆したものである。 In the first invention, an acoustic matching body, a piezoelectric body, and an electrode lead electrically connected to the electrode of the piezoelectric body are covered with an insulator.
その結果、被測定流体計測時の急激な温度変化、降雨などによる電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定的に計測を行うことができる。 As a result, rapid temperature changes when measuring the fluid to be measured, current leakage due to moisture adhering between the electrode and electrode lead due to rain, etc., and current leakage due to whisker between electrode leads do not occur, so stable measurement be able to.
第2の発明は、音響整合体、圧電体、前記圧電体の電極に電気的に接続された電極リードで構成され、空間に暴露される前記圧電体の一方の電極と、電極リードの導電部とを絶縁体で被覆したことにより、被測定流体計即時の急激な温度変化、降雨等による電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定的な計測を行うことができる。 The second invention is composed of an acoustic matching body, a piezoelectric body, and an electrode lead electrically connected to the electrode of the piezoelectric body, and one electrode of the piezoelectric body exposed to the space, and a conductive portion of the electrode lead Is covered with an insulator, so that there is no immediate temperature change of the measured fluid meter, no current leakage due to moisture adhering between the electrode and the electrode lead due to rainfall, etc., and no current leakage due to the whisker between the electrode leads. Stable measurement can be performed.
第3の発明は、音響整合体、圧電体、前記圧電体の電極に電気的に接続された電極リードとで構成され、空間に暴露された少なくとも前記圧電体における一方の電極、および電極リード導電部を絶縁体で被覆したことにより、被測定流体計即時の急激な温度変化、降雨などによる電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定的な計測を行うことができる。 A third invention includes an acoustic matching body, a piezoelectric body, and an electrode lead electrically connected to an electrode of the piezoelectric body, and at least one electrode of the piezoelectric body exposed to the space, and electrode lead conduction By covering the part with an insulator, there is no immediate temperature change of the fluid meter to be measured, current leakage due to moisture adhering between the electrode and electrode lead due to rain, etc., and current leakage due to whisker between the electrode leads Stable measurement can be performed.
第4の発明は、特に、前記第1〜第3の発明の一つにおいて、金属ケースの内面に圧電体を、外面に音響整合体をそれぞれ対向して配置したことにより、被測定流体計測時の急激な温度変化、降雨等による電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起こらず、安定的な計測を行うことができ、加えて、圧電体がケース内に配置されているところから、電極の腐食、変質が抑制され、信頼性の優れた計測を行なうことができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in particular, in one of the first to third aspects of the present invention, the piezoelectric member is disposed on the inner surface of the metal case and the acoustic matching member is disposed on the outer surface, so that the measured fluid is measured. It is possible to perform stable measurement without causing current leakage due to moisture between the electrodes and electrode leads due to sudden temperature changes, rainfall, etc., and current leakage due to whiskers between the electrode leads. Since the electrode is disposed in the case, corrosion and alteration of the electrode are suppressed, and measurement with excellent reliability can be performed.
第5の発明は、被測定流体が流れる流路の上下流側に前記第1〜第4の発明の一つの超音波送受波器を配置し、これら超音波送受波器間の超音波伝播時間に基づき前記被測定流体の流速および/または流量を演算するようにした超音波流れ計測装置で、流速、流量などの計測が安定的に行うことができるものである。 In a fifth aspect of the present invention, one ultrasonic transducer according to the first to fourth aspects of the present invention is disposed upstream and downstream of the flow path through which the fluid to be measured flows, and the ultrasonic propagation time between these ultrasonic transducers The ultrasonic flow measuring device that calculates the flow velocity and / or flow rate of the fluid to be measured based on the above can stably measure the flow velocity and flow rate.
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、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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the present embodiment.
(実施の形態1)
図1において、超音波送受波器1は、上下に電極2,3を備える圧電体4と、音響整合体5とを接着剤で接合して構成されている。
(Embodiment 1)
In FIG. 1, an
電極2,3は、銀または金などの導電性ペーストを加熱し、焼き付けて形成されており
、電極リード6とは、抵抗溶接、はんだ、銀ロウなどによって電気的に接合されている。
The
電極リード6は電極リード導電部7と、電極リード絶縁部8で構成され、空間に暴露された導電部9と電極リード絶縁部8で覆われた絶縁部10とに分けて設定されている。
The
空間に暴露された導電部9、あるいは、圧電体4の電極2,3の部分が、不純物を含んだ水、例えば雨水や、急激な温度変化によって結露する不純物を含んだ結露水に触れた場合、電流漏洩が起こり、圧電体4に与えた電気信号に対し、期待する超音波が被検流体に放射されないため、正確な流量などの計測が不可能となる。
When the
そのため、電極リード6を含む超音波送受波器1の外周すべてを絶縁体11で覆う構成としている。
For this reason, the entire outer circumference of the
絶縁体11は、例えば、ポリ−モノクロロパラキシリレン、ポリパラキシシリレンをCVD蒸着することで行なうことができる。パリレンの膜厚は5μm程度で、超音波送受波器1を隙間なくコーティングすることができる。
The
以下、音響整合体5について説明する。
Hereinafter, the acoustic matching
音響整合体5は、例えば、中空ガラスフィラーをフッ素コーディングをほどこした一定容器内で加振することで充填し、その容器内に、硬化剤を混入したエポキシ樹脂を含浸させ、それらを治具ごとオーブンに入れて加熱する。
The acoustic matching
加熱条件は、例えば、150℃、1hで行なう。硬化した成型体を治具より抜き出し、スライス加工を行い、圧電体4と接着接合するために、スライス加工した音響整合体5を超音波で洗浄を行なうようにしている。
The heating conditions are, for example, 150 ° C. and 1 hour. The cured molded body is extracted from the jig, sliced, and bonded to the
この音響整合体5を接着剤で接合することで、実施の形態1の超音波送受波器1とすることができる。
By joining the acoustic matching
上記した構成により、被測定流体計測時の急激な温度変化、降雨等による電極2,3、および電極リード6間への水分の付着による電流漏洩、電極リード6間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定した流量計測を行うことができる。
With the above-described configuration, there is no current leakage due to a rapid temperature change at the time of measuring the fluid to be measured, moisture due to adhesion between the
(実施の形態2)
図2は実施の形態2を示し、図1と同作用をおこなう構成部分には便宜上同一符号を付し、具体的説明は実施の形態1のものを援用する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows the second embodiment, and the same reference numerals are given to the components that perform the same operations as those in FIG. 1 for the sake of convenience.
圧電体4における一方の電極2、および空間に暴露された電極リード導電部9と他方の電極3との間に存在する空間を絶縁体11で充填する構成となっている。
The
この絶縁体は、例えば、紫外光で硬化する光硬化性エポキシ樹脂をディスペンサで塗布形成し、その後、紫外線ランプで硬化することで形成したものである。なお、絶縁体11は、熱硬化性樹脂であっても実現することができ特に限定されるものではない。
This insulator is formed, for example, by applying and forming a photo-curable epoxy resin that is cured by ultraviolet light with a dispenser and then curing with an ultraviolet lamp. The
上記した構成により、被測定流体計測時の急激な温度変化、降雨などによる電極2,3、および電極リード6間への水分の付着による電流漏洩、電極リード6間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定に流量計測を行うことができる。
With the above-described configuration, there is no current leakage due to a rapid temperature change at the time of measuring the fluid to be measured, moisture due to adhesion between the
(実施の形態3)
図3は実施の形態3を示し、図1と同作用をおこなう構成部分には便宜上同一符号を付し、具体的説明は実施の形態1のものを援用する。
(Embodiment 3)
FIG. 3 shows
圧電体4における一方の電極2および空間に暴露された電極リード導電部9と他方の電極3との間に存在する空間を絶縁体11で充填する構成となっている。
In the
この絶縁体は、例えば、紫外光で硬化する光硬化性エポキシ樹脂をディスペンサで塗布形成し、その後、紫外線ランプで硬化することで形成することができる。なお、絶縁体11は、熱硬化性樹脂であっても実現することができ特に限定されるものではない。
This insulator can be formed, for example, by applying and forming a photo-curable epoxy resin that is cured by ultraviolet light with a dispenser and then curing with an ultraviolet lamp. The
上記した構成により、被測定流体計測時の急激な温度変化、降雨などによる電極2,3、および電極リード6間への水分の付着による電流漏洩、電極リード6間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定に流量計測を行うことができる。
With the above-described configuration, there is no current leakage due to a rapid temperature change at the time of measuring the fluid to be measured, moisture due to adhesion between the
(実施の形態4)
図4は、実施の形態4を示すものである。
(Embodiment 4)
FIG. 4 shows the fourth embodiment.
すなわち、本実施の形態の超音波送受波器21は、有天筒状の金属ケース22を有するものである。
In other words, the
金属ケース22の頂壁内面には接着剤からなる接合手段23を介して圧電体24が、頂壁外面には接合手段25を介して音響整合体26がそれぞれ密着接合してある。
A
金属ケース22とその下方開放部を閉塞する金属性の端子板27とは溶接によって電気的に接合されている。
The
端子板27は電極端子28,29を備え、一方の電極端子28は端子板27と電気的に接続され、他方の電極端子29は絶縁部材30を介して絶縁的に端子板27を貫通し、導電手段31を経由して圧電体24の下方の電極32に接続されている。
The
そして、一方の電極端子28は端子板27、および金属ケース22を経由して圧電体24の上方の電極33に接続されている。
One
圧電体24の電極32,33に電極端子28,29を介して電気信号が伝えられると、圧電体24はその電気信号を振動へ変換し、次いで、この振動は音響整合体26を経由して効率よく被測定流体に伝達するものである。
When an electrical signal is transmitted to the
圧電体24は、金属ケース22と端子板27とで囲まれた密閉空間34に位置しており、この密閉空間に不活性ガスである窒素、アルゴンガスを充填することで、電極32,33が腐食せず、経年変化の小さい超音波送受波器とすることができる。
The
ここで、超音波送受波器21の外面、つまり、音響整合体26の上部と外周、金属ケース22、および端子板27の外周と下面、さらには電極リード6を含む超音波送受波器1の外周すべてが絶縁体11で覆われている。
Here, the outer surface of the
なお、電極リード6は図1と同一構成のため、同一符号を付し、具体的説明は実施の形態1のものを援用する。
Since the
図5は本実施の形態における超音波送受波器21の製造工程を示している。
FIG. 5 shows a manufacturing process of the
(a)は、実施の形態1に記載した方法によって作製した音響整合体26を示しており、(b)は、圧電体24に接合手段23として用いる熱硬化性接着剤を塗布形成し、金属ケース22の頂壁上面にも同様に接合手段25を塗布形成する。
(A) shows the
(c)において、金属ケース22に圧電体24、および音響整合体26を接合固定する。このとき、圧電体24、金属ケース22、音響整合体26に約1から10kg/cm2の加圧を加えた状態で、接合手段23、および25として用いた熱硬化性接着剤を硬化させる目的で加熱を行う。
In (c), the
以上の工程によって加熱硬化し接合された半完成品35が形成される。この半完成品35に備えられた金属ケース22と導電手段31を挿入した端子板27とは、(d)のように溶接によって電気的に接合した状態となる。
The
この溶接時に、密閉空間34に不活性ガスであるアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスなどを封入し、圧電体24における電32,33の劣化、圧電体24と金属ケース22との接合部分の劣化を軽減する役割を果たす。
At the time of this welding, argon gas, nitrogen gas, helium gas, or the like, which is an inert gas, is sealed in the sealed
金属ケース22は、鉄、真鍮、銅、アルミ、ステンレス、あるいはこれらの合金、あるいは表面にめっきを施した導電性を有す材料であれば良い。
The
接合手段23,25として用いた熱硬化性接着剤は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂など熱硬化性樹脂であれば特に限定されない。
The thermosetting adhesive used as the joining
場合によっては、熱可塑性樹脂であっても、ガラス点移転が高温使用温度である70℃以下であれば接着剤として使用できる。 Depending on the case, even if it is a thermoplastic resin, if a glass point transfer is 70 degrees C or less which is high temperature use temperature, it can be used as an adhesive agent.
(e)は電極リード6を接合した状態を示しており、接合方法は、例えば、溶接、銀ロウ、半田付けなどで実現することができる。
(E) has shown the state which joined the
(f)は、外周に絶縁体11をコーディングした状態を示している。
(F) has shown the state which coded the
上記した構成により、圧電体24が密閉空間内に配置されているため、測定環境における湿度、温度、汚染物質などに対し影響を受けず、特性の安定した超音波送受波器21とし、被測定流体を安定的に流量計測できる。
With the above-described configuration, since the
(実施の形態5)
図6は、実施の形態5を示し、前記図4と同作用を行う構成部分には同一符号を付し具体的説明は実施の形態4のものを援用する。
(Embodiment 5)
FIG. 6 shows a fifth embodiment, and the same reference numerals are given to components that perform the same operations as those in FIG.
すなわち、暴露された二つの電極リード導電部9が絶縁体11で充填された構成となっている。
That is, the exposed two electrode lead
この絶縁体11は、例えば紫外光で硬化する光硬化性エポキシ樹脂をディスペンサで塗布形成し、その後、紫外線ランプで硬化することで形成することができる。
The
この充填する絶縁体11は、熱硬化性樹脂であっても実現することができ特に限定されるものではない。
The
上記した構成により、被測定流体計即時の急激な温度変化、降雨等による電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起
こらないため、安定に流量計測を行うことができる。
With the above configuration, flow measurement is stable because there is no immediate temperature change in the fluid meter to be measured, current leakage due to moisture adhering between the electrode and electrode leads due to rainfall, etc., and current leakage due to whiskers between the electrode leads. It can be performed.
(実施の形態6)
図7は、実施の形態6を示し、前記図4と同作用を行う構成部分には同一符号を付し具体的説明は実施の形態4のものを援用する。
(Embodiment 6)
FIG. 7 shows a sixth embodiment, and the same reference numerals are given to components performing the same operations as those in FIG.
すなわち、本実施の形態では、暴露されたひとつの電極リード導電部9を絶縁体11で充填する構成となっている。
In other words, in the present embodiment, one exposed electrode lead
この絶縁体は、例えば紫外光で硬化する光硬化性エポキシ樹脂をディスペンサで塗布形成し、その後、紫外線ランプで硬化することで形成することができる。 This insulator can be formed, for example, by applying and forming a photo-curable epoxy resin that is cured by ultraviolet light with a dispenser and then curing with an ultraviolet lamp.
この充填する絶縁体11は、熱硬化性樹脂であっても実現することができ特に限定されるものではない。
The
上記した構成により、被測定流体計即時の急激な温度変化、降雨などによる電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定に流量計測を行うことができる。 With the above configuration, flow rate measurement is stable because there is no immediate temperature change in the fluid meter to be measured, no current leakage due to moisture adhering between the electrodes and electrode leads due to rain, etc., and no current leakage due to whiskers between the electrode leads. It can be performed.
(実施の形態7)
図8は、実施の形態7である超音波流れ計測装置を示すものである。
(Embodiment 7)
FIG. 8 shows an ultrasonic flow measuring apparatus according to the seventh embodiment.
図8において、流体の流れる流路36の上下流側に実施の形態1から6に示した超音波送受波器37を一対配置し、流れの中を超音波が斜めに横切るごとく構成したものである。
In FIG. 8, a pair of the
L1は上流側に配置された超音波送受波器37から伝搬する超音波の伝搬経路を示しており、L2は下流側に配置された超音波送受波器37の超音波の伝搬経路を示している。
L1 shows the propagation path of the ultrasonic wave propagating from the
流路36を流れる流体の流速をV、流体中の超音波の速度をC、流体の流れる方向と超音波伝搬方向との角度をθとする。
Let V be the flow velocity of the fluid flowing through the
上流側の超音波送受波器37を超音波送波器、下流側の超音波送受波器37を超音波受波器として用いたときに、超音波の伝搬時間t1は、
t1=L/(C+Vcosθ) (1)
となり、
次に、下流側の超音波送受波器37を超音波送波器、上流側の超音波送受波器37を超音波受波器として用いたときに、超音波の伝搬時間t2は、
t2=L/(C−Vcosθ) (2)
で示される。
When the upstream
t1 = L / (C + V cos θ) (1)
And
Next, when the downstream
t2 = L / (C−Vcos θ) (2)
Indicated by
そして、(1)と(2)の式から流体の音速Cを消去すると、
V=L/2cosθ(1/t1−1/t2) (3)
の式が得られる。
And if the sound velocity C of the fluid is deleted from the equations (1) and (2),
V = L / 2 cos θ (1 / t1-1 / t2) (3)
The following equation is obtained.
Lとθが既知なら、計時装置38にてt1とt2を測定すれば流速Vが求められる。
If L and θ are known, the flow velocity V can be obtained by measuring t1 and t2 with the
必要に応じて、この流速Vに流量計測部36の断面積Sと補正係数Kを乗じれば、流量Qを求めることができる。
If necessary, the flow rate Q can be obtained by multiplying the flow velocity V by the cross-sectional area S and the correction coefficient K of the flow
演算手段39は上記Q=KSVを演算するものである。 The calculating means 39 calculates Q = KSV.
以上のように、本実施の形態においては、被測定流体の流速および/または流量を安定的に計測することができる。 As described above, in the present embodiment, the flow velocity and / or flow rate of the fluid to be measured can be stably measured.
以上のように、本発明にかかる超音波送受波器は、安定した流れ計測が可能となるため、家庭用流量計、産業用流量計のみならず、空気中に超音波を発生して距離を計測する自動車のバックソナー等の用途に適用できる。 As described above, since the ultrasonic transducer according to the present invention enables stable flow measurement, not only household flowmeters and industrial flowmeters but also ultrasonic waves are generated in the air to reduce the distance. Applicable to applications such as back sonar for automobiles to be measured.
1、21 超音波送受波器
2,3,32,33 電極
4,24 圧電体
5,26 音響整合体
6 電極リード
11 絶縁体
22 金属ケース
36 流路
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JP2017501611A (en) * | 2013-11-04 | 2017-01-12 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. | Mass production of single element ultrasonic transducers |
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2009
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