JP2010245600A - 超音波送受波器およびそれを用いた流体の流れ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波送受波器の特性安定化を図ることを目的とする。
【解決手段】有底筒状で、金属製のケース２と、前記ケースの音波放射面３に接着剤４で接合した音響整合体５と、前記ケースに収容され前記音響整合体と対向するように接着剤６で接合した圧電体７と、前記圧電体に導電手段を介して接続した端子９，１１と、前記ケースの開口を閉鎖するとともに前記端子を外部に突出させた状態で支持する端子板１２とを具備し、前記ケースの接着剤に対する濡れ性をあらかじめ制御し、前記音響整合体、および前記圧電体とを接合した。これによって、ケース表面に不純物に少ない正常清浄な酸化被膜を形成することができ、その表面と接着剤との濡れ性が向上し、より強固な接合状態となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体などの流体中に超音波を送信、または、流体中を伝搬する超音波を受信するための超音波送受波器、およびそれを用いた流体の流れ計測装置に関する。

従来、この種の超音波送受波器にあっては、図９に示すように、頂壁内面に圧電素子を接着したケース５１の頂壁外面に音響整合体５２を接着して構成されていた。

そして、前記ケース５１は、Ｆｅを主成分とし、少なくともＣｒを１０〜２６ｗｔ％含む金属を深絞り加工し、その後溶剤などで洗浄して得ていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１２１２１８号公報

しかしながら、前記の従来のものでは、通常の溶剤などによる洗浄では、深絞り加工などによって形成された脆弱な酸化被膜の存在によって、圧電体および音響整合体の接着強度が部分的に低下し、その結果、超音波の送信、受信特性にばらつきが生じ、信頼性が保障できなくなる課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧電体および音響整合体との接着力を強固にし、長期にわたり安定して動作させることのできる超音波送受波器、および流れ計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の超音波送受波器は、有底筒状で、金属製のケースと、前記ケースの音波放射面に接着剤で接合した音響整合体と、前記ケースに収容され前記音響整合体と対向するように接着剤で接合した圧電体と、前記圧電体に導電手段を介して接続した端子と、前記ケースの開口を閉鎖するとともに前記端子を外部に突出させた状態で支持する端子板とを具備し、前記ケースの接着剤に対する濡れ性をあらかじめ制御し、前記音響整合体、および前記圧電体とを接合したものである。

これによって、有底筒状ケース表面に不純物に少ない正常清浄な酸化被膜を形成することができて、ケース表面と接着剤との濡れ性が向上し、より強固な接合状態とすることができるものである。

本発明の超音波送受波器によれば、特性のバラツキを低減し、長期間にわたり動作安定性を確保することができ、被測定流体の計測精度を高めることができるものである。

本発明の実施の形態１における超音波送受波器の断面図 同超音波送受波器の製造工程説明図 同超音波送受波器のケースに用いる金属の断面拡大図 同超音波送受波器のケースに用いる金属における水の接触角の測定原理図 接着力評価方法断面図 ケースの表面処理、接触角、および接着力の関係グラフ 熱衝撃試験出力変化率の経過時間推移グラフ 本発明の実施の形態２における超音波式流れ計測装置の原理説明図 従来の超音波送受波器の断面図

第１の発明は、有底筒状で、金属製のケースと、前記ケースの音波放射面に接着剤で接合した音響整合体と、前記ケースに収容され前記音響整合体と対向するように接着剤で接合した圧電体と、前記圧電体に導電手段を介して接続した端子と、前記ケースの開口を閉鎖するとともに前記端子を外部に突出させた状態で支持する端子板とを具備し、前記ケースの接着剤に対する濡れ性をあらかじめ制御し、前記音響整合体、および前記圧電体とを接合したものである。

これによって、有底筒状ケース表面に不純物に少ない正常清浄な酸化被膜を形成することができて、ケース表面と接着剤との濡れ性が向上し、より強固な接合状態とすることができるものである。

第２の発明は、前記第１の発明において、接着剤との濡れ性の制御は、具体的には、ケースにおける酸化被膜の厚みを制御することによって行うものである。

第３の発明は、前記第２の発明において、ケースにおける酸化被膜厚みの制御は、具体的には、一度酸化皮膜を除去後、腐食物の存在しない環境で再形成した。

第４の発明は、前記弟１〜３のいずれか１つの発明において、接着剤との濡れ性の制御における管理を水の接触角により行ったものである。

第５の発明は、前記弟２または３の発明において、酸化被膜の除去は、具体的にはケース全表面をほぼ均一に除去するようにした。

第６の発明は、前記弟２または３の発明において、酸化被膜の除去は、具体的にはケースにおける接着剤塗布部分のみとしたものである。

第７の発明は、前記弟２〜６いずれか一つの発明において、酸化被膜の再形成を室温以上で行ったものである。

第８の発明は、前記第１〜７のいずれか一つの発明の超音波送受波器を被測定流体の流れ方向の上、下流側に一対対向配置して計測部を構成し、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝播時間を超音波伝播時間計測回路で計測するようにして、流体の流速、および／または流量を計測する流体の流れ計測装置としたものである。

第９の発明は、有底筒状で、金属製のケースと、前記ケースの音波放射面に接着剤で接合した音響整合体と、前記ケースに収容され前記音響整合体と対向するように接着剤で接合した圧電体と、前記圧電体に導電手段を介して接続した端子と、前記ケースの開口を閉鎖するとともに前記端子を外部に突出させた状態で支持する端子板とを具備し、前記ケースの接着剤に対する濡れ性をあらかじめ制御し、前記音響整合体、および前記圧電体とを接合するものにおいて、ケースの接着剤に対する濡れ性を制御する工程は、前記ケースの脱脂をおこなう工程と、前記ケースの酸化被膜を除去する工程と、ケースの酸化被膜を制御温度において放置し、酸化被膜を再形成する工程と、所定時間内に接着剤を塗布し、前
記音響整合体および前記圧電体とを接合する工程とからなる超音波送受波器の製造方法である。

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、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において、超音波送受波器１は、有底筒状で、金属製のケース２の音波放射面３に接着剤４で接合した音響整合体５と、前記ケース２に収容され、前記音響整合体５と対向するようにケース頂壁仮面に接着剤６で接合した圧電体７と、前記圧電体７に導電手段８として用いた導電ゴムを介して接続した端子９と、前記ケース２の開口をフランジ部１０で閉鎖するとともに、前記端子７および、端子１１を外部に突出させた状態で支持する端子板１２とで構成されている。

ケース２と端子板１２とは、溶接によって電気的に接合されている。

前記端子１１は端子板１２に電気的接続状態を保った状態で固定され、また、他方の端子９は絶縁部材１３によって電気的に絶縁されている。

端子９は導電手段８として用いる導電ゴムを介して圧電体７の一方の電極１４に電気的に接合されており、他方の端子１１は端子板１２、およびケース２を介して圧電体７の他方の電極１５に電気的気に接合されている。

以上から電極１４，１５には、端子９、１１を介して電気信号が伝えられ、圧電体７が電気信号を振動へ変換し、そこで発生した振動が音響整合体５を介して効率よく被測定流体に伝達するものである。

以上のように構成された超音波送受波器１について、以下動作、作用を説明する。

端子９，１１に、例えば矩形状に調整した２００ｋＨｚの信号を与えると、端子９の信号は導電手段８を介して圧電体７の電極１４に伝えられ、端子１１の信号は端子板１２、ケース２を介して圧電体７の電極１５に伝えられる。

その結果、圧電体７に２００ｋＨｚの電気信号が伝えられ、それに伴って圧電体７が２００ｋＨｚで振動し、その振動に共振する厚みに調整された音響整合体５が共振し、その振動が非測定流体に伝えられる。

次に、超音波送受波器１の製造方法に関して説明する。

図２において、音響整合体５は、例えばガラスバルーンを所定の容器内で加振充填し、その後、熱硬化性樹脂をガラスバルーンとの隙間に流し込み、熱を加えることで成型体とし、これを、ケース天面の平坦部によりも小さい直径に調整し、圧電体７と共振する厚みに調整する。

（ａ）は音響整合体５を円柱状に形成し、音波放射面に対し厚みを調整した状態を示しており、（ｂ）は、圧電体７に熱硬化性樹脂である接着剤１５を印刷工法によって塗布形成し、ケース２にも同様に接合手段４を塗布形成する。

印刷工法は、例えばスクリーン印刷、あるいはメタルマスク印刷など特に限定されるものではない。（ｃ）において、圧電体７とケース２、音響整合体５を貼り合わせる。この
とき、圧電体７、ケース２、音響整合体５にを貼り合せ、これらの接合体に、約１から１０ｋｇ／ｃｍ２の加圧を加えた状態で、接着剤４および１５を硬化させる目的で、加熱をおこなう。その結果、反感製品半完成品２０が製造される。

（ｄ）は、以上の工程によって加熱硬化し接合された半完成品２０と、導電手段８として用いる導電ゴムを挿入した端子板１２とをフランジ部１０で溶接する。溶接方法に関しては抵抗溶接あるいはレーザー溶接などを使用することができる。

この溶接時に、密閉空間２１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することで、圧電体７の電極１４、１５の劣化、圧電体７とケース２との接合部分の劣化を軽減する役割を果たす。

前記ケース２は、鉄、真鍮、銅、アルミ、ステンレスあるいは、これらの合金、あるいはこれらの金属の表面にめっきを施した金属など導電性を有する材料であれば良い特に限定されるものではない。

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。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である７０℃以下であれば接着剤として使用できる。

ここで、ケース２の接着剤塗布形成前の酸化被膜除去及び再形成に関して説明する。

図３において、金属内部より金属の結晶で構成された金属結晶層２２、加工などによって形成された加工変形層２３、酸化被膜層２４が存在し、その上に、防食性、潤滑性を向上させるために塗布されるプレス油などの有機物２５が存在する。

超音波送受波器１のケース２はプレス加工によって形成するため、潤滑油であるプレス油が酸化被膜層２４に刷り込まれた状態となっている部分も存在する。

そのため，脱脂工程として溶剤とアルカリを用いて、プレス加工によって刷り込まれた潤滑油と、あらかじめ最表面にある吸着ガスや、有機物である炭化水素、水酸化物を除去し表面改質を行なう。

その後、酸化物層２４の除去、および、脆弱な加工変形層２３に関しても除去を行なうほうが好ましい。

酸化物層２４，および加工変形層２３は、例えば全面を均一に除去する場合においては、酸などに浸漬処理し、必要に応じて超音波照射を行なう。

これに対し、接着剤を塗布する部分のみの酸化物層２４、加工変形層２３を除去する目的で、例えばプラズマ処理を行なうことも可能である。

プラズマ処理には、減圧を必要としない大気プラズマ処理を行なうことも可能であり、インラインで処理することでより高速に処理することとができる。

この酸化被膜２４の除去によって、接着剤との濡れ性が向上する。接着性のみを向上させるためには、接触角が低いほど接着性が向上するが、本実施の形態では、接着性向上だけでなく、量産時の特性安定化を行なう必要がある。

接触角が低い場合には、金属表面がより活性菜活性な状態となるため、例えば酸化物除
去直後の環境に、腐食物質が存在するとすぐに金属表面と反応し、脆弱な酸化被膜あるいは腐食生成物が形成され、その表面を接着面した場合には、経過時間と共に接着力が低下し、この劣化の度合いが個々の超音波送受波器間でばらつくため、結果的に超音波流量計とした場合に、測定誤差となってしまう。

このため、通常、組立作業環境を腐食物質、あるいは不純物をより高度に正常化清浄化した環境が必要とされるため、設備コストがかかる。

そこで、本実施の形態においては、比較的安価なクリーンな環境装置の中で、例えば３０℃程度の一定の温度環境において、安定した酸化被膜を形成させることで、その後、印刷工程などは、通常のクリーンルーム内で作業しても、接触角の変化が小さく、その結果、有底筒状ケースと圧電体および整合体との接着力が安定化し、超音波送受波器としたときのばらつきも低減する事ができる。

さらには、超音波送受波器の経過時間による送信受信性能も安定化することができる。この酸化被膜の再形成も、過度に行なうことで接着剤との濡れ性を悪化させることになるため、適正に管理する必要がある。

以下、この酸化被膜の管理方法に関して説明する。

この接着剤との濡れ性を適正に管理する方法として、水の接触角を用いた。

図４において、ケース２表面に蒸留水を注入したマイクロシリンジのシリンジ先端に液滴を作り、その液滴をケース２に近づけ接触させる。

その結果、図に示すように、蒸留水による液滴３０が形成される。この液滴３０に接線３１を引くことができ、この接線３１とケース２とのなす角θ２が接触角となる。

この接触角θ２は、接線３１を直接合わせ測定する方法と、液滴頂点３２における液滴高さ３３、および液滴の直径３４を求めて、θ１を求め以下に示した式１との関係からθ１を２倍して求める方法とがある。

θ２＝２θ１ （１）
本実施の形態の酸化被膜の除去による効果を検証するため、以上にあげた説明した水の接触角による評価と、接着力の評価を行なった。

図５は、接着力評価方法を示している。

図５において、個々の表面処理を実施したケース２に接着剤１５を塗布し、試験継ぎ手３６を接合する。これを、引っ張り試験機にセットし、一定速度で引っ張り試験を実施する。

図６はケースの表面処理と接触角および接着力の関係を示している。○印が、水の接触角を表し、測定値は左の縦軸を参照する。◆印は、接着力の測定結果を示しており、右の縦軸を参照する。

この結果から、接触角が小さくなる、つまり、有底筒状金属ケースと接着剤との濡れ性が向上することによって接着強度が増加することがわかる。

さらに、接触角が２０〜５０度の範囲内では、接着力も十分に大きいため、酸化被膜を
再形成しても接着強度に悪影響を与えないことがわかる。このようにして、酸化被膜を再形成することで、洗浄後の次工程となる接着工程の環境も接着プロセス環境も、クラス１００００程度のクリーンルームで問題なく組み立てられることが明らかとなった。

このようにして酸化被膜を除去後、再形成したケースと、通常の溶剤脱脂のみで洗浄したケースとを用いて超音波送受波器とし長期信頼性試験を実施した。

また、図７は熱衝撃試験における出力変化率の経過時間推移を示し、○印はケースのプレス加工後の溶剤脱脂、アルカリ脱脂を施したものを超音波送受波器としたものであり、◆印はプレス後、溶剤脱脂、アルカリ脱脂、酸による酸化物の除去および酸化被膜の再形成を行なったものを超音波送受波器としたものである。

熱衝撃試験は、低温マイナス４０度を３０分とし、高温８０度３０分放置し、これを１サイクルとして、繰り返し試験を行なう。

ケース２と圧電体との線膨張係数が異なるため、高温、低温の繰り返し試験によって、接合界面に応力が集中し、部分的に剥離が起こると考えられる。

その結果、超音波送受信出力低下が起こる。この変化率がの変化率が小さい場合には、ケース２と圧電体７との接合状態が良好に維持されていることを示す。

この図からもわかるように、脱脂のみに比べ、酸化皮膜を適正に管理した超音波送受波器の出力変化率が小さく、良好な接合状態が維持されていることがわかる。

以上のように、本実施の形態においては、ケース２と、前記ケース２の音波放射面に接着剤で接合した音響整合体５と、前記ケース２に収容され前記音響整合体５と対向するように接着剤で接合した圧電体７と、前記圧電体７に接続した端子と、前記ケース２の開口を閉鎖するとともに前記端子を外部に突出させた状態で支持する端子板１２とで構成される超音波送受波器において、前記ケース２の接着剤に対する濡れ性の制御を酸化被膜を除去後、腐食物の存在しない環境で再形成することによって予めおこない、前記音響整合体５および前記圧電体とを接合した超音波送受波器とすることによって、前記ケース表面に不純物に少ない正常な酸化被膜を形成することができ、ケース表面と接着剤との濡れ性が向上し、より強固な接合状態とすることができる。

また、接着剤との濡れ性における管理を、簡便な水の接触角でおこなうことを特徴としたものである。

これによって、圧電体および音響整合体との接着をより強固な状態で、安定した品質管理をおこなうことができるため、超音波送受波器の長期動作安定性を確保することができる。

（実施の形態２）
図８は、前記実施の形態１の超音波送受波器を流体の流れ計測装置に用いたもので、計測部４０における流体流路の上、下流側に一対の超音波送受波器４１、４２が斜めに対向して配置してある。すなわち、超音波が流体の流れを斜めに横切るように伝搬するようにしてある。

Ｌ１は、上流側に配置された超音波送受波器４１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４２の超音波の伝搬経路を示している。

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の伝搬方向の角度をθとすると、超音波送受波器４１から出た超音波が超音波送受波器４２に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （２）
で示される。

次に超音波送受波器４２から出た超音波パルスが超音波送受波器４１に到達する伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （３）
で示される。

そして、（２）と（３）の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２） （４）
の式が得られる。

Ｌとθが既知なら、計時装置４３にてｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。必要に応じて、この流速Ｖに計測部４０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。演算手段４４は、上記Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。

なお、音響整合体は多孔質体および、低空隙層が無機物であるセラミック材料で構成されるため、被測定流体計即時の温度変化においても、安定に流量計測を行うことができる。

以上のように、本発明にかかる超音波送受波器、またはそれを用いた超音波流速流量計は、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。

１ 超音波送受波器
２ ケース
３ 音波放射面
４，６ 接着剤
５ 音響整合体
７ 圧電体
９，１１ 端子
１２ 端子板

Claims (9)

1. 有底筒状で、金属製のケースと、前記ケースの音波放射面に接着剤で接合した音響整合体と、前記ケースに収容され前記音響整合体と対向するように接着剤で接合した圧電体と、前記圧電体に導電手段を介して接続した端子と、前記ケースの開口を閉鎖するとともに前記端子を外部に突出させた状態で支持する端子板とを具備し、前記ケースの接着剤に対する濡れ性をあらかじめ制御し、前記音響整合体、および前記圧電体とを接合した超音波送受波器。
2. 接着剤との濡れ性の制御は、ケースにおける酸化被膜の厚みを制御することによっておこなうことを特徴とする請求項１記載の超音波送受波器。
3. ケースにおける酸化被膜厚みの制御は、一度酸化皮膜を除去後、腐食物の存在しない環境で再形成することを特徴とする請求項２記載の超音波送受波器。
4. 接着剤との濡れ性の制御における管理は、水の接触角によることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の超音波送受波器。
5. 酸化被膜の除去は、ケース全表面をほぼ均一に除去することを特徴とする請求項２または３記載の超音波送受波器。
6. 酸化被膜の除去は、ケースにおける接着剤塗布部分のみとした請求項２または３記載の超音波送受波器。
7. 酸化被膜の再形成は室温以上でおこなうことを特徴とする請求項２〜６いずれか１項記載の超音波送受波器。
8. 請求項１〜７いずれか１項記載の超音波送受波器を被測定流体の流れ方向の上、下流側に一対対向配置して構成した計測部と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝播時間計測回路とを具備した流体の流れ計測装置。
9. 有底筒状で、金属製のケースと、前記ケースの音波放射面に接着剤で接合した音響整合体と、前記ケースに収容され前記音響整合体と対向するように接着剤で接合した圧電体と、前記圧電体に導電手段を介して接続した端子と、前記ケースの開口を閉鎖するとともに前記端子を外部に突出させた状態で支持する端子板とを具備し、前記ケースの接着剤に対する濡れ性をあらかじめ制御し、前記音響整合体、および前記圧電体とを接合するものにおいて、ケースの接着剤に対する濡れ性を制御する工程は、前記ケースの脱脂をおこなう工程と、前記ケースの酸化被膜を除去する工程と、ケースの酸化被膜を制御温度において放置し、酸化被膜を再形成する工程と、所定時間内に接着剤を塗布し、前記音響整合体および前記圧電体とを接合する工程とからなる超音波送受波器の製造方法。