JP2019176291A - Ultrasonic transducer - Google Patents

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知樹 桝田
Tomoki Masuda
知樹 桝田
昌道 橋田
Masamichi Hashida
昌道 橋田
賢輝 信長
Kenki Nobunaga
賢輝 信長
永原 英知
Hidetomo Nagahara
英知 永原
祐大 石崎
Yudai ISHIZAKI
祐大 石崎
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Abstract

To provide an ultrasonic transducer with excellent characteristics and reliability.SOLUTION: The ultrasonic transducer with excellent reliability and improved ultrasonic irradiation characteristics is achieved, in which the electrical connection reliability between an acoustic matching layer 1 and a piezoelectric vibrator 2 is ensured by connecting and fixing the acoustic matching layer 1 containing the conductive component to the piezoelectric vibrator 2.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、超音波を利用して気体の流量を計測する流量計測装置や、物体との距離を測定する距離計測装置に用いる超音波送受波器に関するもので、特に圧電振動子の音響インピーダンスと被測定流体の音響インピーダンスとの整合をとる音響整合層、さらにはこれを用いた超音波送受波器に関するものである。   The present invention relates to an ultrasonic transducer for use in a flow rate measuring device that measures the flow rate of gas using ultrasonic waves and a distance measuring device that measures the distance to an object, and in particular, the acoustic impedance of a piezoelectric vibrator and The present invention relates to an acoustic matching layer that matches the acoustic impedance of a fluid to be measured, and further relates to an ultrasonic transducer using the acoustic matching layer.

近年、超音波が流量計測部を伝搬する時間を計測し、流体の移動速度を測定して流量を計測する超音波流量計がガスメータ等に利用されつつある。このような超音波流量計では精度が要求され、その精度を向上させるために、気体に超音波を送波、または気体を伝搬して来た超音波を受波する超音波送受波器において、構成している音響整合層の音響インピーダンスが重要となる。   In recent years, an ultrasonic flowmeter that measures the time during which an ultrasonic wave propagates through a flow rate measuring unit and measures the flow rate by measuring the moving speed of a fluid is being used in a gas meter or the like. In such an ultrasonic flowmeter, accuracy is required, and in order to improve the accuracy, in an ultrasonic transducer that transmits ultrasonic waves to a gas or receives ultrasonic waves that have propagated through the gas, The acoustic impedance of the configured acoustic matching layer is important.

音響インピーダンスZは、物質中の音速Cと密度ρとで式(1)のように定義される。   The acoustic impedance Z is defined by the sound speed C and the density ρ in the substance as shown in Expression (1).

Z=ρ×C (1)
音響インピーダンスは振動手段である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/m/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/m/s程度である。
Z = ρ × C (1)
The acoustic impedance differs greatly between a solid, which is a piezoelectric vibrator, which is a vibration means, and a gas, which is an ultrasonic radiation medium. For example, the acoustic impedance (Z0) of a piezoelectric ceramic such as PZT (lead zirconate titanate) which is a general piezoelectric vibrator is about 30 × 10 6 kg / m 2 / s. Further, the acoustic impedance (Z3) of a gas that is a radiation medium, for example, air, is about 400 kg / m 2 / s.

このような音響インピーダンスの異なる境界面上では音波の伝搬において反射を生じて、放射媒体を透過する音波の強さが弱くなる。これを解決する方法として、振動手段である圧電振動子と超音波の放射媒体である気体とのそれぞれの音響インピーダンスZ0とZ3に対して、両者の間に式(2)の関係を有する音響インピーダンスを持つ物質を挿入することによって、音の反射を軽減して音波の透過する強度を高める方法が一般に知られている。この物質が音響整合層である。   On such boundary surfaces with different acoustic impedances, reflection occurs in the propagation of the sound wave, and the intensity of the sound wave transmitted through the radiation medium becomes weak. As a method for solving this problem, the acoustic impedance Z0 and Z3 of the piezoelectric vibrator, which is the vibration means, and the gas, which is the ultrasonic radiation medium, have an acoustic impedance having a relationship of Equation (2) between the two. In general, a method of increasing the intensity of sound wave transmission by reducing the reflection of sound by inserting a substance having the above is known. This material is the acoustic matching layer.

Z=(Z0×Z3)(1/2) (2)
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/m/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。
Z = (Z0 × Z3) (1/2) (2)
The optimum value when the acoustic impedance satisfying this condition is matched is about 11 × 10 4 kg / m 2 / s. An acoustic matching layer that satisfies this acoustic impedance is required to be solid and have a low density, and it is necessary that the acoustic matching layer does not break even when an ultrasonic transducer is used.

実際に超音波送受波器の動作のためには、圧電振動子に電圧を印加する必要がある。通常は、圧電振動子を収納した金属筐体上に音響整合層を固定し、金属筐体との対向面と金属筐体に電圧を印可することで、電気的な接合を得ることが多い(例えば、特許文献1参照)。   Actually, in order to operate the ultrasonic transducer, it is necessary to apply a voltage to the piezoelectric vibrator. Usually, an electrical matching is often obtained by fixing an acoustic matching layer on a metal casing containing a piezoelectric vibrator and applying a voltage to a surface facing the metal casing and the metal casing ( For example, see Patent Document 1).

特許第4771370号公報Japanese Patent No. 4771370

超音波送受波器の音響整合層に用いることのできる材料は、低密度が要求されるためシ
リカ系セラミックス材料や、ガラスバルーンのような中空球体とエポキシ樹脂などによる結合材料の混合からなる音響整合層が知られている。
The material that can be used for the acoustic matching layer of an ultrasonic transducer is low acoustic density, so it is an acoustic matching consisting of a silica-based ceramic material or a mixture of a hollow sphere such as a glass balloon and a bonding material such as epoxy resin. The layers are known.

そして、前記方法で作成した音響整合層の表面に接着剤を印刷により塗布して接着層を形成し、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金属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。   Then, an adhesive is applied to the surface of the acoustic matching layer created by the above method by printing to form an adhesive layer, and the surface of the acoustic matching layer is bonded to the surface of the piezoelectric vibrator or the inner wall surface. When bonded to the surface of the metal case, the adhesive is not completely buried in the concave portion of the acoustic matching layer, and the adhesive is bonded while leaving a minute gap. Due to the presence of bubbles, there was a problem that the adhesive strength between the surface of the acoustic matching layer material and the surface of the piezoelectric vibrator or the case was not sufficiently exhibited.

また、特許文献1では金属ケースを音響整合層および圧電振動子間に導入することなく、電気的な接合も含めて改善するものである。具体的には、前記音響整合層側壁表面を除く表面部分にAgなど導電性の高い材料を焼き付けた導電膜を被覆することで、音響整合部層を圧電振動子に直接接合し、圧電振動子の音響整合層側からの電気的な接合を確保するものである。   In Patent Document 1, a metal case is improved including electrical bonding without introducing a metal case between the acoustic matching layer and the piezoelectric vibrator. Specifically, the acoustic matching layer is directly joined to the piezoelectric vibrator by covering the surface portion excluding the side wall surface of the acoustic matching layer with a conductive film baked with a highly conductive material such as Ag, so that the piezoelectric vibrator is bonded. This ensures electrical bonding from the acoustic matching layer side.

しかし、この接合方法には課題が3点存在する。1点目は、音響整合層と導電膜はそれぞれ密度が異なることから、導電膜による高密度層により音響インピーダンスが部分的に増加し、音響整合層による感度特性を低下させることになる。2点目は、導電膜として使用するAg材料は、流量計測に適用するガス種(たとえば都市ガス)に対する腐食性の観点で、信頼性課題や使用が限定される。3点目は、このような導電膜を形成することは、コスト削減の観点から避けることが望ましいと考えられる。   However, there are three problems with this joining method. First, since the acoustic matching layer and the conductive film have different densities, the acoustic impedance is partially increased by the high-density layer made of the conductive film, and the sensitivity characteristic of the acoustic matching layer is lowered. The second point is that the Ag material used as the conductive film is limited in terms of reliability and use from the viewpoint of corrosiveness to the gas species (for example, city gas) applied to the flow rate measurement. Third, it is considered desirable to avoid the formation of such a conductive film from the viewpoint of cost reduction.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、優れた特性を示し、信頼性にも優れた音響整合層と、その整合層を用いた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 thereof is to provide an acoustic matching layer that exhibits excellent characteristics and excellent reliability, and an ultrasonic transducer using the matching layer. .

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波送受波器は、導電性成分を含有した音響整合層と、前記音響整合層が固定される圧電振動子とからなるものである。音響整合層は、圧電振動子側に配置する音響整合層に導電粉を混合させた材料を適用するものである。これにより、音響整合層は圧電振動子との積層方向に密度の変化が生じないので音響インピーダンスを変動させることなく音響整合層を構成することができ、さらに圧電振動子との接続安定性を確保することができる。このような手段により、音響整合層の超音波振動を極大化することができる。   In order to solve the above-described conventional problems, the ultrasonic transducer according to the present invention includes an acoustic matching layer containing a conductive component and a piezoelectric vibrator to which the acoustic matching layer is fixed. The acoustic matching layer applies a material in which conductive powder is mixed in an acoustic matching layer disposed on the piezoelectric vibrator side. As a result, the density of the acoustic matching layer does not change in the stacking direction with the piezoelectric vibrator, so the acoustic matching layer can be configured without changing the acoustic impedance, and the connection stability with the piezoelectric vibrator is ensured. can do. By such means, the ultrasonic vibration of the acoustic matching layer can be maximized.

本発明の超音波送受波器によれば、適切な音響インピーダンスおよび接続安定化が図れ、従来よりも高感度かつ高信頼性の超音波送受波器を得ることができる。   According to the ultrasonic transducer of the present invention, an appropriate acoustic impedance and connection stabilization can be achieved, and an ultrasonic transducer with higher sensitivity and higher reliability than conventional ones can be obtained.

(a)本実施の形態1の超音波送受波器を示す断面図(b)同平面図(A) Sectional view showing the ultrasonic transducer of the first embodiment (b) Plan view (a)〜(c)本実施の形態1の製造法を説明する図(A)-(c) The figure explaining the manufacturing method of this Embodiment 1

本発明の音響整合層、超音波送受波器および超音波流量計の概要は以下の通りである。   The outlines of the acoustic matching layer, the ultrasonic transducer and the ultrasonic flowmeter of the present invention are as follows.

第1の発明の超音波送受波器は、導電性成分を含有した音響整合層と、前記音響整合層が固定される圧電振動子とからなるもので、音響整合層と圧電振動子を直接接合することで、超音波送受波器の接合信頼性を確保できる。   An ultrasonic transducer according to a first aspect of the present invention comprises an acoustic matching layer containing a conductive component and a piezoelectric vibrator to which the acoustic matching layer is fixed. The acoustic matching layer and the piezoelectric vibrator are directly joined to each other. By doing so, the joining reliability of the ultrasonic transducer can be ensured.

第2の発明は、特に第1の発明において、前記音響整合層の音響インピーダンスが前記圧電振動子よりも小さく、密度が0.5g/cm以上2.0g/cm以下とすることにより、接合信頼性を確保しつつ、超音波照射面を十分に振動させることができる。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the acoustic impedance of the acoustic matching layer is smaller than that of the piezoelectric vibrator, and the density is 0.5 g / cm 3 or more and 2.0 g / cm 3 or less. The ultrasonic irradiation surface can be sufficiently vibrated while ensuring the bonding reliability.

第3の発明は、特に第1または2の発明において、前記音響整合層の音波照射面に、密度が0.2g/cm以下の第2の音響整合層を積層することにより、超音波照射性面での振動を最大限にすることで、特性向上と信頼性をはかった超音波送受波器を得ることができる。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the second acoustic matching layer having a density of 0.2 g / cm 3 or less is laminated on the acoustic wave irradiation surface of the acoustic matching layer, thereby ultrasonic irradiation. By maximizing the vibration on the surface, it is possible to obtain an ultrasonic transducer with improved characteristics and reliability.

第4の発明は、第1から3のいずれか1つの発明において、前記音響整合層と前記圧電振動子を機械的に固定したことを特徴とすることにより、特性と信頼性に優れた超音波送受波器とすることができる。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the acoustic matching layer and the piezoelectric vibrator are mechanically fixed. It can be a transducer.

以下、図面を参照しながら、本発明の音響整合層、超音波送受波器の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明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)
以下、本実施形態の超音波送受波器の一例を詳細に説明する。
Hereinafter, embodiments of an acoustic matching layer and an ultrasonic transducer according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the form of this invention.
(Embodiment 1)
Hereinafter, an example of the ultrasonic transducer of this embodiment will be described in detail.

[超音波送受波器]
図1は、本開示の超音波送受波器111の一例を示す断面図である。超音波送受波器111は、積層体11と積層固定冶具4および端子5を備える。
[Ultrasonic transducer]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of the ultrasonic transducer 111 of the present disclosure. The ultrasonic transducer 111 includes a laminate 11, a laminate fixing jig 4 and a terminal 5.

積層体11は、音響整合層1と圧電振動子2を備える。音響整合層1は他の層を介さずに直接圧電振動子2と接している。圧電振動子2は、圧電セラミックスによって構成され、厚さ方向に分極されている。また、圧電振動子2は厚さ方向の上下面に電極を有しており、上面電極は音響整合層1と電気的に接続され、下面電極と間に電圧を印加することによって、超音波振動を発生する。   The laminate 11 includes an acoustic matching layer 1 and a piezoelectric vibrator 2. The acoustic matching layer 1 is in direct contact with the piezoelectric vibrator 2 without passing through other layers. The piezoelectric vibrator 2 is made of piezoelectric ceramics and is polarized in the thickness direction. The piezoelectric vibrator 2 has electrodes on the upper and lower surfaces in the thickness direction. The upper surface electrode is electrically connected to the acoustic matching layer 1, and ultrasonic vibration is generated by applying a voltage between the lower surface electrodes. Is generated.

また、音響整合層3を音響整合層1上に形成することで、さらなる特性向上をはかることができる。   Further, by forming the acoustic matching layer 3 on the acoustic matching layer 1, it is possible to further improve the characteristics.

音響整合層1または音響整合層1上に形成された音響整合層3は、流体に超音波を送波、または流体を伝搬してきた超音波を受波するためのもので、駆動交流電圧により励振される圧電振動子2の機械的振動が外部の媒体に対して超音波として効率よく出ていき、到達した超音波が効率よく電圧に変換される役目を有する。   The acoustic matching layer 1 or the acoustic matching layer 3 formed on the acoustic matching layer 1 is for transmitting an ultrasonic wave to a fluid or receiving an ultrasonic wave propagating through the fluid, and is excited by a driving AC voltage. The mechanical vibration of the piezoelectric vibrator 2 is efficiently emitted as an ultrasonic wave to an external medium, and the reached ultrasonic wave has a role of being efficiently converted into a voltage.

本発明における音響整合層1に適した材料としては、導電性成分を混合した樹脂が挙げられる。この導電性成分を混合した樹脂として、グラッシーカーボン、カーボン粉末を配合したエポキシ樹脂、硬質アクリル樹脂、硬質ウレタン樹脂、PEEK樹脂、PPS樹脂、POM樹脂、ABS樹脂が挙げられる。密度としては、0.5g/cmから2.0g/cmが好ましい。音響整合層1を単層で使用する場合は低密度を示す材料が気体計測においては適しており、後述する音響整合層3との積層する場合には、高密度材料が適している。なお、最適である密度は1.3g/cm近傍が積層時に高特性を示す。 Examples of a material suitable for the acoustic matching layer 1 in the present invention include a resin mixed with a conductive component. Examples of the resin mixed with the conductive component include glassy carbon, epoxy resin containing carbon powder, hard acrylic resin, hard urethane resin, PEEK resin, PPS resin, POM resin, and ABS resin. The density is preferably 0.5 g / cm 3 to 2.0 g / cm 3 . When the acoustic matching layer 1 is used as a single layer, a material having a low density is suitable for gas measurement. When the acoustic matching layer 1 is laminated with an acoustic matching layer 3 described later, a high-density material is suitable. Note that the optimum density is around 1.3 g / cm 3 and shows high characteristics when laminated.

音響整合層3に適した材料としては、クローズドポア構造の発泡樹脂で形成されており、複数の孔部とその隣接する壁部を備えた構成を持つ硬質樹脂発泡体が挙げられる。   A material suitable for the acoustic matching layer 3 is a hard resin foam made of a foamed resin having a closed pore structure and having a structure including a plurality of holes and adjacent wall portions.

硬質樹脂発泡体の例として、硬質アクリル発泡体、硬質塩ビ発泡体、硬質ポリプロピレン発泡体、硬質ポリメタクリルイミド発泡体、硬質ウレタン発泡体が挙げられる。硬質アクリル発泡体の例として積水化成品工業株式会社のフォーマック、硬質塩ビ発泡体の例と
してJFC株式会社のナビセル、硬質ポリプロピレン発泡体の例として積水化学株式会社のゼットロン、硬質ポリメタクリルイミド発泡体の例としてダイセル・エボニック株式会社のロハセルなどが販売されている。これらの密度は0.2g/cmであることが好ましい密度条件である。
Examples of the hard resin foam include a hard acrylic foam, a hard PVC foam, a hard polypropylene foam, a hard polymethacrylimide foam, and a hard urethane foam. For example, Sekisui Plastics Co., Ltd. as a hard acrylic foam. As an example, Daicel-Evonik's Lohacell is sold. The density condition is preferably 0.2 g / cm 3 .

音響整合層3が硬質樹脂発泡体で構成された場合、気体に対する超音波送受波器の特性向上に優れる。   When the acoustic matching layer 3 is made of a hard resin foam, it is excellent in improving the characteristics of the ultrasonic transducer for gas.

音響整合層3は、音響整合層3中を伝搬する音波の波長λの略1/4の厚さを有していることが望ましい。これにより、音響整合層3の2つの主面間で反射し音響整合層1へ入射する音波は位相が1/2ずれることによって弱められる。よって、不要な反射によって遅れて音響整合層1へ入射する音波の強度を小さくし、反射波の影響を抑制することができる。   The acoustic matching layer 3 desirably has a thickness of approximately ¼ of the wavelength λ of the sound wave propagating through the acoustic matching layer 3. Thereby, the sound wave reflected between the two main surfaces of the acoustic matching layer 3 and incident on the acoustic matching layer 1 is weakened by a phase shift of 1/2. Therefore, the intensity of the sound wave incident on the acoustic matching layer 1 with a delay due to unnecessary reflection can be reduced, and the influence of the reflected wave can be suppressed.

本実施形態の超音波送受波器は、例えば以下の手順により、製造することができる。まず、図2(a)に示すように、音響整合層1、音響整合層3及び圧電振動子2を用意する。音響整合層1及び音響整合層3は、予め、ラッピングフィルムなどで研磨され、所望の表面粗度および厚さを有するように、加工されている。音響整合層3と音響整合層1を接着剤により接着し、この接着したものを圧電振動子2の上部に載せることで積層体11を得る。   The ultrasonic transducer of this embodiment can be manufactured, for example, according to the following procedure. First, as shown in FIG. 2A, an acoustic matching layer 1, an acoustic matching layer 3, and a piezoelectric vibrator 2 are prepared. The acoustic matching layer 1 and the acoustic matching layer 3 are previously polished with a wrapping film and processed so as to have a desired surface roughness and thickness. The acoustic matching layer 3 and the acoustic matching layer 1 are bonded with an adhesive, and the bonded body is placed on the piezoelectric vibrator 2 to obtain a laminate 11.

次に、図2(b)に示すように、L字状の積層固定冶具4を対向配置し、その底辺に積層体11を載置した後、図2(c)に示すように、L字状の積層固定冶具4の先端を折り曲げて機械的に固定する。これにより音響整合層1および圧電振動子2の電気的接続が確保される。最後に、端子5を、音響整合層1と圧電振動子2に接続し、超音波送受波器が完成する。なお、積層体11の固定方法としては、本実施の形態では、2個のL字状の金具によるカシメを用いたが、ボルトとナットによる固定等、適切な方法を用いることができる。また、部分的な固定だけでなく、積層体11の全周を機械的に固定しても良い。   Next, as shown in FIG. 2 (b), the L-shaped laminated fixing jig 4 is disposed oppositely, and the laminated body 11 is placed on the bottom thereof, and then, as shown in FIG. The tip of the laminated fixing jig 4 is bent and mechanically fixed. Thereby, electrical connection between the acoustic matching layer 1 and the piezoelectric vibrator 2 is ensured. Finally, the terminal 5 is connected to the acoustic matching layer 1 and the piezoelectric vibrator 2 to complete the ultrasonic transducer. In addition, as the fixing method of the laminated body 11, in this Embodiment, the caulking by two L-shaped metal fittings was used, However, An appropriate method, such as fixing with a volt | bolt and a nut, can be used. Further, not only partial fixation, but also the entire circumference of the laminate 11 may be mechanically fixed.

(実施例)
以下、実施の形態の超音波送受波器を作製し、特性を調べた結果を説明する。
(Example)
Hereinafter, the result of having produced the ultrasonic transducer of the embodiment and examining the characteristics will be described.

1.試料の作製
[実施例(A)]
(a)音響整合層の加工
音響整合層1として導電性カーボン(グラッシーカーボン:東海カーボン製)を使用した。この材料は 密度1.5g/cmである。
1. Sample Preparation [Example (A)]
(A) Processing of acoustic matching layer As the acoustic matching layer 1, conductive carbon (glassy carbon: manufactured by Tokai Carbon) was used. This material has a density of 1.5 g / cm 3 .

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60μm、3M)を用いて800μmに調製した。この試料を直径10.8mmの円形状に加工した。
(b)音響整合層と圧電振動子の固定
音響整合層1および圧電振動子2を重ね合わせた状態で、カシメによる積層固定冶具4にて固定した。
(c)超音波送受波器の形成
音響整合層1および圧電振動子2を積層固定冶具4で重ね合わせたものに、端子5を取り付けた。
The thickness of the acoustic matching layer was adjusted to 800 μm using a wrapping film sheet (grain size 60 μm, 3M). This sample was processed into a circular shape having a diameter of 10.8 mm.
(B) Fixing of acoustic matching layer and piezoelectric vibrator The acoustic matching layer 1 and the piezoelectric vibrator 2 were superposed, and fixed with a laminated fixing jig 4 by caulking.
(C) Formation of Ultrasonic Transmitter / Receiver A terminal 5 was attached to an acoustic matching layer 1 and a piezoelectric vibrator 2 that were superposed by a laminated fixture 4.

[実施例(B)]
(a)第1音響整合層の加工
音響整合層1として導電性カーボン(グラッシーカーボン:東海カーボン製)を使用し
た。この材料は 密度1.5g/cmである。音響整合層3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0.07g/cm)を使用した。
[Example (B)]
(A) Processing of first acoustic matching layer As the acoustic matching layer 1, conductive carbon (glassy carbon: manufactured by Tokai Carbon) was used. This material has a density of 1.5 g / cm 3 . As the acoustic matching layer 3, polymethacrylimide ROHACELL (R) (density 0.07 g / cm 3 ) was used as a hard plastic foam.

ラッピングフィルムシート(粒度60μm、3M)を用いて音響整合層1および音響整合層3の厚さを800μmに調製した。これらを直径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
音響整合層1の上に、音響整合層3を接着剤により固定し、さらに音響整合層1の下に圧電振動子2を重ね合わせ、カシメによる積層固定冶具4にて固定した。
(c)超音波送受波器の形成
音響整合層1の上部に固定した音響整合層3、下部に圧電振動子2を積層固定冶具4で重ね合わせたものに、端子5を取り付けた。
The thickness of the acoustic matching layer 1 and the acoustic matching layer 3 was adjusted to 800 μm using a wrapping film sheet (particle size 60 μm, 3M). These were processed into a circular shape with a diameter of 10.8 mm. (B) Joining of the acoustic matching layer to the case and the piezoelectric vibrator The acoustic matching layer 3 is fixed on the acoustic matching layer 1 with an adhesive, and the piezoelectric vibrator 2 is overlaid on the acoustic matching layer 1. It fixed with the laminated fixing jig 4 by caulking.
(C) Formation of Ultrasonic Transceiver A terminal 5 was attached to an acoustic matching layer 3 fixed to the upper part of the acoustic matching layer 1 and a piezoelectric vibrator 2 stacked on the lower part with a laminated fixing jig 4.

[実施例(C)]
(a)第1音響整合層の加工
音響整合層1として導電性PEEK(PEEK430−AE3:東レ製)を使用した。この材料は 密度1.3g/cmである。音響整合層3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0.07g/cm)を使用した。
[Example (C)]
(A) Processing of first acoustic matching layer As the acoustic matching layer 1, conductive PEEK (PEEK430-AE3: manufactured by Toray) was used. This material has a density of 1.3 g / cm 3 . As the acoustic matching layer 3, polymethacrylimide ROHACELL (R) (density 0.07 g / cm 3 ) was used as a hard plastic foam.

ラッピングフィルムシート(粒度60μm、3M)を用いて音響整合層1および音響整合層3の厚さを800μmに調製した。これらを直径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
音響整合層1の上に、音響整合層3を接着剤により固定し、さらに音響整合層1の下に圧電振動子2を重ね合わせ、カシメによる積層固定冶具4にて固定した。
(c)超音波送受波器の形成
音響整合層1の上部に固定した音響整合層3、下部に圧電振動子2を積層固定冶具4で重ね合わせたものに、端子5を取り付けた。
The thickness of the acoustic matching layer 1 and the acoustic matching layer 3 was adjusted to 800 μm using a wrapping film sheet (particle size 60 μm, 3M). These were processed into a circular shape with a diameter of 10.8 mm. (B) Joining of the acoustic matching layer to the case and the piezoelectric vibrator The acoustic matching layer 3 is fixed on the acoustic matching layer 1 with an adhesive, and the piezoelectric vibrator 2 is overlaid on the acoustic matching layer 1. It fixed with the laminated fixing jig 4 by caulking.
(C) Formation of Ultrasonic Transceiver A terminal 5 was attached to an acoustic matching layer 3 fixed to the upper part of the acoustic matching layer 1 and a piezoelectric vibrator 2 stacked on the lower part with a laminated fixing jig 4.

[実施例(D)]
(a)第1音響整合層の加工
音響整合層1として導電性PPS(PEEK230−AE3:東レ製)を使用した。この材料は 密度1.4g/cmである。音響整合層3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0.07g/cm)を使用した。
[Example (D)]
(A) Processing of first acoustic matching layer As the acoustic matching layer 1, conductive PPS (PEEK230-AE3: manufactured by Toray) was used. This material has a density of 1.4 g / cm 3 . As the acoustic matching layer 3, polymethacrylimide ROHACELL (R) (density 0.07 g / cm 3 ) was used as a hard plastic foam.

ラッピングフィルムシート(粒度60μm、3M)を用いて音響整合層1および音響整合層3の厚さを800μmに調製した。これらを直径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
音響整合層1の上に、音響整合層3を接着剤により固定し、さらに音響整合層1の下に圧電振動子2を重ね合わせ、カシメによる積層固定冶具4にて固定した。
(c)超音波送受波器の形成
音響整合層1の上部に固定した音響整合層3、下部に圧電振動子2を積層固定冶具4で重ね合わせたものに、端子5を取り付けた。
The thickness of the acoustic matching layer 1 and the acoustic matching layer 3 was adjusted to 800 μm using a wrapping film sheet (particle size 60 μm, 3M). These were processed into a circular shape with a diameter of 10.8 mm. (B) Joining of the acoustic matching layer to the case and the piezoelectric vibrator The acoustic matching layer 3 is fixed on the acoustic matching layer 1 with an adhesive, and the piezoelectric vibrator 2 is overlaid on the acoustic matching layer 1. It fixed with the laminated fixing jig 4 by caulking.
(C) Formation of Ultrasonic Transceiver A terminal 5 was attached to an acoustic matching layer 3 fixed to the upper part of the acoustic matching layer 1 and a piezoelectric vibrator 2 stacked on the lower part with a laminated fixing jig 4.

[実施例(E)]
(a)第1音響整合層の加工
音響整合層1として導電性POM(POM131−AE3:東レ製)を使用した。この材料は 密度1.4g/cmである。音響整合層3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0.07g/cm)を使
用した。
[Example (E)]
(A) Processing of first acoustic matching layer As the acoustic matching layer 1, conductive POM (POM131-AE3: manufactured by Toray) was used. This material has a density of 1.4 g / cm 3 . As the acoustic matching layer 3, polymethacrylimide ROHACELL (R) (density 0.07 g / cm 3 ) was used as a hard plastic foam.

ラッピングフィルムシート(粒度60μm、3M)を用いて音響整合層1および音響整合層3の厚さを800μmに調製した。これらを直径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
音響整合層1の上に、音響整合層3を接着剤により固定し、さらに音響整合層1の下に圧電振動子2を重ね合わせ、カシメによる積層固定冶具4にて固定した。
(c)超音波送受波器の形成
音響整合層1の上部に固定した音響整合層3、下部に圧電振動子2を積層固定冶具4で重ね合わせたものに、端子5を取り付けた。
The thickness of the acoustic matching layer 1 and the acoustic matching layer 3 was adjusted to 800 μm using a wrapping film sheet (particle size 60 μm, 3M). These were processed into a circular shape with a diameter of 10.8 mm. (B) Joining of the acoustic matching layer to the case and the piezoelectric vibrator The acoustic matching layer 3 is fixed on the acoustic matching layer 1 with an adhesive, and the piezoelectric vibrator 2 is overlaid on the acoustic matching layer 1. It fixed with the laminated fixing jig 4 by caulking.
(C) Formation of Ultrasonic Transceiver A terminal 5 was attached to an acoustic matching layer 3 fixed to the upper part of the acoustic matching layer 1 and a piezoelectric vibrator 2 stacked on the lower part with a laminated fixing jig 4.

[実施例(F)]
(a)第1音響整合層の加工
音響整合層1として導電性ABS(ABS610−AE1:東レ製)を使用した。この材料は 密度1.3g/cmである。音響整合層3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0.07g/cm)を使用した。
[Example (F)]
(A) Processing of first acoustic matching layer As the acoustic matching layer 1, conductive ABS (ABS610-AE1: manufactured by Toray) was used. This material has a density of 1.3 g / cm 3 . As the acoustic matching layer 3, polymethacrylimide ROHACELL (R) (density 0.07 g / cm 3 ) was used as a hard plastic foam.

ラッピングフィルムシート(粒度60μm、3M)を用いて音響整合層1および音響整合層3の厚さを800μmに調製した。これらを直径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
音響整合層1の上に、音響整合層3を接着剤により固定し、さらに音響整合層1の下に圧電振動子2を重ね合わせ、カシメによる積層固定冶具4にて固定した。
(c)超音波送受波器の形成
音響整合層1の上部に固定した音響整合層3、下部に圧電振動子2を積層固定冶具4で重ね合わせたものに、端子5を取り付けた。
The thickness of the acoustic matching layer 1 and the acoustic matching layer 3 was adjusted to 800 μm using a wrapping film sheet (particle size 60 μm, 3M). These were processed into a circular shape with a diameter of 10.8 mm. (B) Joining of the acoustic matching layer to the case and the piezoelectric vibrator The acoustic matching layer 3 is fixed on the acoustic matching layer 1 with an adhesive, and the piezoelectric vibrator 2 is overlaid on the acoustic matching layer 1. It fixed with the laminated fixing jig 4 by caulking.
(C) Formation of Ultrasonic Transceiver A terminal 5 was attached to an acoustic matching layer 3 fixed to the upper part of the acoustic matching layer 1 and a piezoelectric vibrator 2 stacked on the lower part with a laminated fixing jig 4.

[比較例(G)]
(a)第1音響整合層の加工
音響整合層1としてPEEK(PEEK NC:東レ製)を使用した。この材料は 密度1.3g/cmである。音響整合層3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0.07g/cm)を使用した。
[Comparative Example (G)]
(A) Processing of the first acoustic matching layer PEEK (PEEK NC: manufactured by Toray) was used as the acoustic matching layer 1. This material has a density of 1.3 g / cm 3 . As the acoustic matching layer 3, polymethacrylimide ROHACELL (R) (density 0.07 g / cm 3 ) was used as a hard plastic foam.

ラッピングフィルムシート(粒度60μm、3M)を用いて音響整合層1および音響整合層3の厚さを800μmに調製した。これらを直径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
音響整合層1の片面に導電性ペーストAgを塗布し、電極面を形成した。さらに音響整合層1の上に、音響整合層3を接着剤により固定し、さらに音響整合層1の導電性ペーストを塗布した側に、圧電振動子2を重ね合わせ、カシメによる積層固定冶具4にて固定した。
(c)超音波送受波器の形成
音響整合層1の上部に固定した音響整合層3、下部に圧電振動子2を積層固定冶具4で重ね合わせたものに、端子5を取り付けた。
The thickness of the acoustic matching layer 1 and the acoustic matching layer 3 was adjusted to 800 μm using a wrapping film sheet (particle size 60 μm, 3M). These were processed into a circular shape with a diameter of 10.8 mm. (B) Joining of acoustic matching layer to case and piezoelectric vibrator The conductive paste Ag was applied to one side of the acoustic matching layer 1 to form an electrode surface. Further, the acoustic matching layer 3 is fixed on the acoustic matching layer 1 with an adhesive, and the piezoelectric vibrator 2 is overlaid on the side of the acoustic matching layer 1 on which the conductive paste is applied, and the caulking laminated fixing jig 4 is attached. Fixed.
(C) Formation of Ultrasonic Transceiver A terminal 5 was attached to an acoustic matching layer 3 fixed to the upper part of the acoustic matching layer 1 and a piezoelectric vibrator 2 stacked on the lower part with a laminated fixing jig 4.

2.特性の評価
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。
2. Evaluation of characteristics The sensitivity of the fabricated ultrasonic transducer was measured. In the measurement method, a pair of produced ultrasonic transducers were made to face each other, one was used as a transmitter, and the other was used as a receiver, and ultrasonic waves were transmitted and received.

また、接合の信頼性を確認する方法として熱衝撃試験を実施し、その投入前後の感度特性測定によって評価した。なお、熱衝撃試験の条件については−40℃30分、80℃3
0分を1サイクルとして設定し、1000サイクル実施により確認した。表1にこれらの値、および、音響整合層26の特性をまとめて示す。
In addition, a thermal shock test was performed as a method for confirming the reliability of bonding, and evaluation was performed by measuring sensitivity characteristics before and after the injection. In addition, about the conditions of a thermal shock test, -40 degreeC 30 minutes, 80 degreeC3
0 minutes was set as 1 cycle, and it was confirmed by carrying out 1000 cycles. Table 1 summarizes these values and the characteristics of the acoustic matching layer 26.

また、感度については比較例に対する相対値、信頼性については比較例と同程度の試料に「△」、低い試料に「×」を記した。比較例よりも優れる試料に「◎」および「○」を記した。   In addition, as for the sensitivity, the relative value with respect to the comparative example, and as for the reliability, “Δ” is written in the sample similar to the comparative example, and “x” is written in the low sample. “◎” and “◯” are marked on samples superior to the comparative examples.

3.結果の考察
表1に示すように、音響整合層に導電性をもたせることで、ケースを使用することなく電気的接続が簡便に実施でき、かつ高感度の超音波送受波器を得ることができる。従来技術では、導電性ペーストの接続信頼性が低いことが課題となっていると考えられる。
3. Consideration of results As shown in Table 1, by providing conductivity to the acoustic matching layer, electrical connection can be easily performed without using a case, and a highly sensitive ultrasonic transducer can be obtained. . In the prior art, it is considered that the connection reliability of the conductive paste is low.

音響整合層は音波を減衰させずに伝播性能を確保するため、高弾性の性質が要求されている。このような材料物性を示す音響整合層1の材料として、樹脂材料のうちエンジニアリングプラスチックが好適である。また、硬質プラスチック発泡体と音響整合層1を積層する場合、音響インピーダンスによるシミュレーションから、密度1.3g/cm近傍が適している傾向を確認している。 The acoustic matching layer is required to have a highly elastic property in order to ensure propagation performance without attenuating sound waves. As a material of the acoustic matching layer 1 exhibiting such material properties, an engineering plastic is preferable among the resin materials. Moreover, when laminating | stacking the hard plastic foam and the acoustic matching layer 1, the tendency for density 1.3g / cm < 3 > vicinity is confirmed from the simulation by acoustic impedance.

このような観点で材料選択した従来技術Gは感度特性こそ確立できているが、熱衝撃試験に投入した場合、エンジニアリングプラスチックと導電性接着剤の接着強度が低下するため、電気的接続を確保することは困難であり、信頼性確立には課題がある。   Conventional technology G, which has selected materials from this point of view, has established sensitivity characteristics, but when it is put into a thermal shock test, the adhesive strength between the engineering plastic and the conductive adhesive is reduced, so electrical connection is ensured. It is difficult to establish reliability.

一方、音響整合層1そのものに導電性をもたせることで、従来では生じていた整合層材料と導電接着剤の界面における接合を考慮する必要が無く、特性と信頼性を同時に満たすことが可能である。また、ケースを使用することなく電気的接続の安定化がはかれ、かつ感度特性も満足する超音波送受波機を得ることができる。   On the other hand, by providing conductivity to the acoustic matching layer 1 itself, it is not necessary to consider the bonding at the interface between the matching layer material and the conductive adhesive, which has occurred in the past, and it is possible to satisfy both characteristics and reliability at the same time. . Moreover, the electrical connection can be stabilized without using a case, and an ultrasonic transducer that satisfies the sensitivity characteristics can be obtained.

本開示の積層体および超音波送受波器は、種々の流体の測定用流量計に好適に用いられる。また、目標対象物を探知する探知装置、目標対象物までの距離を測定する測距装置等、ソナー性能を有する種々の装置に好適に用いられる。   The laminate and the ultrasonic transducer of the present disclosure are preferably used for flow meters for measuring various fluids. Further, the present invention is suitably used for various devices having sonar performance, such as a detection device that detects a target object and a distance measuring device that measures a distance to the target object.

1 音響整合層
2 圧電振動子
3 音響整合層
4 積層固定冶具
5 端子
11 積層体
111 超音波送受波器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Acoustic matching layer 2 Piezoelectric vibrator 3 Acoustic matching layer 4 Lamination fixing jig 5 Terminal 11 Laminated body 111 Ultrasonic transducer

Claims (4)

導電性成分を含有した音響整合層と、前記音響整合層が固定される圧電振動子とからなる超音波送受波器。 An ultrasonic transducer comprising an acoustic matching layer containing a conductive component and a piezoelectric vibrator to which the acoustic matching layer is fixed. 前記音響整合層の音響インピーダンスが前記圧電振動子より小さく、密度が0.5g/cm以上2.0g/cm以下である請求項1記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein an acoustic impedance of the acoustic matching layer is smaller than that of the piezoelectric vibrator, and a density is 0.5 g / cm 3 or more and 2.0 g / cm 3 or less. 前記音響整合層の音波照射面に、密度が0.2g/cm以下の第2の音響整合層を積層する請求項1または2に記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein a second acoustic matching layer having a density of 0.2 g / cm 3 or less is laminated on a sound wave irradiation surface of the acoustic matching layer. 前記音響整合層と前記圧電振動子を機械的に固定したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 3, wherein the acoustic matching layer and the piezoelectric vibrator are mechanically fixed.
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