JP2018063114A - 音響整合層および超音波送受波器および超音波流量計 - Google Patents
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Abstract
Description
音響インピーダンスは振動手段としての圧電振動子である固体と超音波の放射媒体である気体とでは大きく異なる。例えば、一般的な圧電振動子であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等のピエゾセラミックの音響インピーダンス(Z0)は30×106kg/m2・s程度である。また、放射媒体である気体、例えば空気の音響インピーダンス(Z3)は400kg/m2・s程度である。
この条件を満たす音響インピーダンスが整合した時の最適な値は、11×104kg/m2・s程度となる。この音響インピーダンスを満たす音響整合層は、固体で密度が小さいものであることが要求され、超音波送受波器としたときにおいても破壊しないことが必要である。
形成し、前記音響整合層の表面が圧電振動子の表面、あるいは内部壁面に圧電振動子を接着したケース表面に接着される際、前記音響整合層の前記凹部内に接着剤が完全に埋まらず微少空隙を残したまま接着されるので圧電振動子から発振される振動が、音響整合層接着界面の気泡存在のために音響整合層材料表面と圧電振動子表面あるいはケース表面間の接着強度が十分に発揮されないという課題を有していた。
(実施の形態1)
以下、本実施形態の超音波送受波器および超音波流量計の一例を詳細に説明する。
図1は本開示の超音波流量計の概略的な構成を示す。図1に示すように、管壁13によって規定される流量計測部には流体が流速Vにて図に示す方向に流れている。管壁13には、一対の超音波送受波器(第1および第2の超音波送受波器)11、12が相対して設置されている。超音波送受波器11、12は、電気エネルギー/機械エネルギー変換素子として、圧電セラミック等の圧電振動子を用いて構成されており、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性を示す。
子に印加すると、超音波送受波器11は管内の流体中に同図中のL1で示す伝搬経路に沿って超音波を放射する。超音波送受波器12は流体中を伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。
逆に、超音波送受波器12を送波器として、超音波送受波器11を受波器として用いたときの超音波伝搬時間であるシング・アラウンド周期をt2、シング・アラウンド周波数f2とすれば、次式(4)の関係が成立する。
したがって、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δfは、次式(5)となり、超音波の伝搬経路の距離Lと周波数差Δfから流体の流速Vを求めることができる。
すなわち、超音波の伝搬経路の距離Lと周波数差Δfから流体の流速Vを求めることができ、その流速Vから流量を調べることができる。
図2は、本開示の超音波流量計に用いる超音波送受波器11の一例を示す断面図である。超音波送受波器12も超音波送受波器11と同じ構造を備えている。超音波送受波器11は、積層体28とケース29とを備える。
送受波器の生産性に優れる。
以下、実施形態の超音波送受波器および超音波流量計を作製し、特性を調べた結果を説明する。
[実施例(1)]
(a)音響整合層の加工
音響整合層26として、硬質プラスチック発泡体ポリメタクリルイミド ROHACELL(R)(密度30kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポア径60μm である。
(b)音響整合層とケース、圧電振動子との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電振動子21および音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(a)第1音響整合層の加工
第1音響整合層26として、硬質プラスチック発泡体 としてポリメタクリルイミド ROHACELL(R)(密度30kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポア径60μmである。
(b)音響整合層とケース、圧電振動子との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電振動子21および第1音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(a)音響整合層の加工
音響整合層26として、硬質プラスチック発泡体 としてポリメタクリルイミド ROHACELL(R)(密度30kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポア径60μmである。
(b)音響整合層とケース、圧電振動子との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電振動子21および音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(a)音響整合層の加工
音響整合層26として、硬質プラスチック発泡体 としてポリメタクリルイミド ROHACELL(R)(密度30kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポア径60μmである。
(b)音響整合層とケース、圧電振動子との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電振動子21および音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(a)音響整合層の加工
音響整合層26として、硬質プラスチック発泡体 としてポリメタクリルイミド ROHACELL(R)(密度30kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポア径60μ
mである。
(b)音響整合層とケース、圧電振動子との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電振動子21および音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(a)音響整合層の加工
音響整合層26として、硬質プラスチック発泡体 としてポリメタクリルイミド ROHACELL(R)(密度70kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポア径100μmである。
(b)音響整合層とケース、圧電振動子との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電振動子21および音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(a)音響整合層の加工
音響整合層26として、硬質プラスチック発泡体 としてポリメタクリルイミド ROHACELL(R)(密度70kg/m3)を使用した。ここでは平均ポア径が実施例(F)より大きい120μmの領域を選択的に使用した。この音響整合層の厚さを、ラッピングフィルムシート(粒度30μm、3M)を用いて600μmに調製した。なお表面粗度は試料領域を縦10mm、横15mmに設定し、レーザマイクロスコープ(VK−X100)にて計測した。このときの中心平均粗さRa30μmであった。この試料を直径10.8mmの円形状に加工した。
(b)音響整合層とケース、圧電振動子との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電振動子21および音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(a)音響整合層の加工
第1音響整合層26として、硬質プラスチック発泡体 としてポリメタクリルイミド ROHACELL(R)(密度30kg/m3)を使用した。この材料は、平均ポア径60
μmである。
(b)音響整合層とケース、圧電振動子との接合
ケース29の本体22の天板22uの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電振動子21および音響整合層26で天板22uを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
(c)超音波送受波器の形成
本体22に蓋板23、駆動端子24a、24b等を組み付けて超音波送受波器を得た。
作製した超音波送受波器の感度を測定した。測定方法は、作製した1対の超音波送受波器を対向させ、一方を送信器とし、他方を受信器として、超音波の送受信を行った。
13 管壁
21 圧電振動子(振動手段)
22 本体
22a 天板22uの内面
22b 天板22uの外面
22u 天板
23 蓋板
24a、24b 駆動端子
25 絶縁材
26 音響整合層
28 積層体
29 ケース
31 時間計測部
32 演算部
Claims (5)
- 圧電振動子と気体との音響インピーダンスを整合させるクローズドポアである発泡樹脂より構成される音響整合層であって、超音波照射面および反対側面の中心平均粗さが100μm以下であることを特徴とする音響整合層。
- 前記発泡樹脂のポア径が100μm以下であることを特徴とする請求項1記載の音響整合層。
- 前記発泡樹脂のポア径Rと、前記中心平均粗さRaが、R≧Raを満たす請求項1または2のいずれか1項に記載の音響整合層。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載の音響整合層と振動手段とを備える超音波送受波器。
- 請求項4に記載の超音波送受波器を具備する超音波流量計であって、
被測定流体が流れる流量計測部と、
前記流量計測部に、前記被測定流体の流れの上流側と下流側とに配置した一対の前記超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測部と、
前記伝搬時間に基づき、前記被測定流体の流量を算出する演算部とを具備する超音波流量計。
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JP2016199634A JP2018063114A (ja) | 2016-10-11 | 2016-10-11 | 音響整合層および超音波送受波器および超音波流量計 |
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JP2021082886A (ja) * | 2019-11-15 | 2021-05-27 | Tdk株式会社 | 超音波デバイス及び流体検出装置 |
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2016
- 2016-10-11 JP JP2016199634A patent/JP2018063114A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2021082886A (ja) * | 2019-11-15 | 2021-05-27 | Tdk株式会社 | 超音波デバイス及び流体検出装置 |
JP7318496B2 (ja) | 2019-11-15 | 2023-08-01 | Tdk株式会社 | 超音波デバイス及び流体検出装置 |
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