JP2019193130A - Ultrasonic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に超音波の送受信を行う超音波センサーに関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic sensor that mainly transmits and receives ultrasonic waves.
一般に、異なる物質間の音響インピーダンス（それぞれの物質の密度と音速の積）の違いが小さければ、超音波はこれらの物質の界面を透過して伝達し、音響インピーダンスの違いが大きければ、これらの界面で反射する。従って、音響インピーダンスの違いが小さくなるに従って、エネルギー伝達効率は高くなる。 In general, if the difference in acoustic impedance (product of the density and speed of each substance) between different materials is small, the ultrasonic wave is transmitted through the interface between these materials, and if the difference in acoustic impedance is large, these Reflects at the interface. Therefore, energy transfer efficiency increases as the difference in acoustic impedance decreases.
しかし、超音波を発生する圧電素子はセラミックス（密度と音速が高い）により構成されるのが一般的であり、超音波を伝達させようとする対象である空気等の気体の密度と音速は、セラミックスのそれらより大幅に小さい。従って、圧電素子から空気へのエネルギー伝達効率は非常に低くなる。この問題を解決するため、圧電素子と気体の間に、圧電素子より音響インピーダンスが小さく、空気より音響インピーダンスが大きい音響整合層を介在させ、エネルギー伝達効率を高める対策が行われてきた。 However, a piezoelectric element that generates ultrasonic waves is generally composed of ceramics (high density and sound speed), and the density and sound speed of a gas such as air that is an object to transmit ultrasonic waves are: Much smaller than those of ceramics. Therefore, the energy transfer efficiency from the piezoelectric element to the air is very low. In order to solve this problem, measures have been taken to increase energy transfer efficiency by interposing an acoustic matching layer between the piezoelectric element and gas that has an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric element and larger than that of air.
音響インピーダンスの観点からは、圧電素子から音響整合層を経て気体へ超音波が伝達するために最も効率が高くなる場合は、
Ｚ２＾２＝Ｚ１×Ｚ３・・・（１）
を満たす場合である。
From the viewpoint of acoustic impedance, when ultrasonic waves are transmitted from the piezoelectric element to the gas through the acoustic matching layer and become the most efficient,
Z2 ^ 2 = Z1 * Z3 (1)
This is the case.
ここで、Ｚ１：圧電素子の音響インピーダンス、Ｚ２：音響整合層の音響インピーダンス、Ｚ３：気体の音響インピーダンスである。 Here, Z1: acoustic impedance of the piezoelectric element, Z2: acoustic impedance of the acoustic matching layer, and Z3: acoustic impedance of the gas.
更に、圧電素子で発生した超音波を高効率で気体に伝播させるためには、音響整合層を伝播する超音波のエネルギー損失を低く抑えることが必要となる。音響整合層を伝播する超音波のエネルギー損失の大きな要素は、音響整合層を変形させることにより熱として散逸してしまうことである。従って、音響整合層として用いる物質は変形し難い（弾性率が大きい）ことが条件となる。しかし、式（１）から判るように、音響整合層の音響インピーダンスＺ２は、気体の音響インピーダンスＺ３に近づけるため、固体の音響インピーダンスより大幅に小さくする必要がある。音響インピーダンスが小さい物質は、音速が遅く、密度が小さい物質ということになり、一般に変形しやすい物質である場合が多い。このような理由により、音響整合層として必要な特性をいずれも満たす物質は少ない。 Furthermore, in order to propagate the ultrasonic wave generated by the piezoelectric element to the gas with high efficiency, it is necessary to suppress the energy loss of the ultrasonic wave propagating through the acoustic matching layer. A large element of energy loss of the ultrasonic wave propagating through the acoustic matching layer is that it is dissipated as heat by deforming the acoustic matching layer. Therefore, it is a condition that the material used as the acoustic matching layer is not easily deformed (high elastic modulus). However, as can be seen from the equation (1), the acoustic impedance Z2 of the acoustic matching layer is close to the acoustic impedance Z3 of the gas, and therefore needs to be significantly smaller than the solid acoustic impedance. A substance having a low acoustic impedance is a substance having a low sound speed and a low density, and is generally a substance that is easily deformed. For these reasons, there are few substances that satisfy all of the characteristics required for the acoustic matching layer.
これは、固体からなる圧電素子と気体の音響インピーダンスは５桁程度異なることなることから、式（１）を満たすためには、音響整合層の音響インピーダンスは圧電素子の音響インピーダンスの３桁程度小さくする必要があるためである。 This is because the acoustic impedance of a solid piezoelectric element differs from that of a gas by about five orders of magnitude, so that the acoustic impedance of the acoustic matching layer is about three orders of magnitude smaller than the acoustic impedance of the piezoelectric element in order to satisfy Equation (1). It is necessary to do.
そこで、音響整合層を２層用いることで、高効率で超音波を伝達させる事が試みられてきた。気体に接し、超音波を放出する音響整合層を第一音響整合層、圧電素子と接する音響整合層を第二音響整合層と定義すると、圧電素子から音響整合層を経て気体へ超音波が伝達するために最も効率が高くなる場合は式（１）より、
Ｚ４＾２＝Ｚ１×Ｚ２
Ｚ２＾２＝Ｚ３×Ｚ４
を満たす場合である。
ここで、Ｚ１：圧電素子の音響インピーダンス、Ｚ２：第一音響整合層の音響インピーダンス、Ｚ４：第二音響整合層の音響インピーダンス、Ｚ３：気体の音響インピーダンスで
ある。
Therefore, it has been attempted to transmit ultrasonic waves with high efficiency by using two acoustic matching layers. When the acoustic matching layer that contacts the gas and emits ultrasonic waves is defined as the first acoustic matching layer, and the acoustic matching layer that contacts the piezoelectric element is defined as the second acoustic matching layer, ultrasonic waves are transmitted from the piezoelectric element to the gas through the acoustic matching layer. In order to achieve the highest efficiency, from equation (1),
Z4 ^ 2 = Z1 × Z2
Z2 ^ 2 = Z3 × Z4
This is the case.
Here, Z1: acoustic impedance of the piezoelectric element, Z2: acoustic impedance of the first acoustic matching layer, Z4: acoustic impedance of the second acoustic matching layer, Z3: acoustic impedance of the gas.
ここで、第二音響整合層は、第一音響整合層に超音波を効率よく伝播させるため、変形によるエネルギー損失が小さくなる硬質（弾性率が大きい）な材料が望ましく、特に硬質な樹脂や金属が望ましい。 Here, the second acoustic matching layer is preferably a hard (high elastic modulus) material that reduces energy loss due to deformation in order to efficiently propagate ultrasonic waves to the first acoustic matching layer, and particularly hard resin or metal. Is desirable.
また、第一音響整合層は音響インピーダンスを下げるために、非常に軽量で硬質な素材が望ましく、特にポリメタクリルイミド樹脂の発泡体などの硬質な発泡樹脂が望ましい。 The first acoustic matching layer is preferably made of a very light and hard material in order to lower the acoustic impedance, and in particular, a hard foamed resin such as a polymethacrylimide resin foam.
ところが、これらの硬質発泡樹脂は、吸湿による膨張を引き起こす。この結果、第一音響整合層と第二音響整合層の間で、吸水時の膨張率の差から生ずるせん断力により、接合界面付近に発泡樹脂の損傷などの不可逆変化が生じ、センサー感度の低下が起きる。同様に、接合する物体間の熱膨張率の差から生ずるせん断力により、接合界面付近に不可逆変化が生ずる現象が報告されており、この不可逆変化を抑制するための施策がとられてきた（例えば、特許文献１参照）。 However, these hard foamed resins cause expansion due to moisture absorption. As a result, irreversible changes such as damage to the foamed resin occur near the joint interface due to the shear force generated by the difference in expansion coefficient during water absorption between the first acoustic matching layer and the second acoustic matching layer, resulting in a decrease in sensor sensitivity. Happens. Similarly, a phenomenon has been reported in which an irreversible change occurs in the vicinity of the joining interface due to a shearing force resulting from a difference in thermal expansion coefficient between objects to be joined, and measures for suppressing this irreversible change have been taken (for example, , See Patent Document 1).
特許文献１の施策は、音響整合層外周に緩衝部材と封止材を取り付けることにより、音響整合層の膨張を制限し、接合界面付近に不可逆変化を抑制するものである。 The measure of Patent Document 1 is to limit the expansion of the acoustic matching layer and suppress irreversible changes in the vicinity of the joint interface by attaching a buffer member and a sealing material to the outer periphery of the acoustic matching layer.
しかし、熱膨張率は１０−５／Ｋ程度であるのに対し、吸湿による膨潤は１０−２程度と寸法に対する影響が大きい。また、緩衝部材や封止材を用いることで、部材点数が増えることによるコスト増加や、音響整合層外周に部材を取り付けることによるセンサーの大型化などの問題も生じる。 However, while the coefficient of thermal expansion is about 10 −5 / K, the swelling due to moisture absorption is about 10 −2 and has a large influence on the dimensions. Further, the use of the buffer member or the sealing material causes problems such as an increase in cost due to an increase in the number of members and an increase in the size of the sensor due to the attachment of the member to the outer periphery of the acoustic matching layer.
したがって、本発明は、超音波センサーの接合部材の膨張率の違いにより発生するせん断力を構造によって緩和し、接合界面付近に生じる不可逆変化を抑制することで、感度低下を引き起こさない構造を有する超音波センサーを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention reduces the shearing force generated by the difference in expansion coefficient of the joining member of the ultrasonic sensor by the structure and suppresses irreversible changes that occur in the vicinity of the joining interface. An object is to provide a sonic sensor.
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波センサーは、少なくとも圧電素子と音響整合層からなり、前記音響整合層と前記音響整合層と接合される部材の膨張率の差によって接合面に生じるせん断力による接合面付近の不可逆的な変形を抑制する構造を持つことを特徴とする。 In order to solve the above-described conventional problems, an ultrasonic sensor according to the present invention includes at least a piezoelectric element and an acoustic matching layer. It is characterized by having a structure that suppresses irreversible deformation in the vicinity of the joint surface due to the shearing force generated in.
そして、音響整合層の感度低下は接合部材の膨張率差から生じるせん断力によるものであり、このせん断力を低減させるようなセンサー構造とすることで感度低下を防止することができる。 And the sensitivity fall of an acoustic matching layer is based on the shear force which arises from the expansion coefficient difference of a joining member, and a sensitivity fall can be prevented by setting it as the sensor structure which reduces this shear force.
ここで吸水により膨張しやすい材料と膨張しにくい材料を接合し高温多湿環境に投入した場合の、接合界面が不可逆変化を引き起こさないせん断力の条件について考える。吸水により膨張する材料の膨張率βから、ひずみと応力の関係より膨張時のひずみによる応力の大きさＡが求められる。しかし、材料底面が固定されている場合、固定されていることにより膨張が強制的に押し留められる力と変形する材料の厚さ方向の力全てが材料の末端部分に集中する。よって、接合界面の微小単位面積当たりにかかるせん断力Ｅｂｏｔｔｏ
ｍは、膨張率α、膨張時のひずみによる応力Ｅｅｘｐａｎｓｉｏｎ、厚さｔ、直径Φを用いて、
Ｅｂｏｔｔｏｍ＝α・β・Φ・ｔ・Ｅｅｘｐａｎｓｉｏｎ
と表せる。αは係数である。
Here, let us consider conditions of shearing force that do not cause irreversible changes in the bonding interface when a material that easily expands due to water absorption and a material that does not easily expand are bonded and placed in a high-temperature and high-humidity environment. From the expansion coefficient β of the material that expands due to water absorption, the magnitude A of the stress due to strain during expansion is determined from the relationship between strain and stress. However, when the bottom surface of the material is fixed, the force forcing the expansion to be held down by the fixing and the force in the thickness direction of the deforming material are all concentrated on the end portion of the material. Therefore, the shear force Ebotto applied per minute unit area of the bonding interface
m is the expansion coefficient α, stress expansion due to expansion strain, thickness t, and diameter Φ.
Ebottom = α ・ β ・ Φ ・ t ・ Eexpansion
It can be expressed. α is a coefficient.
接合界面付近の不可逆変化を抑制するには、接合界面付近の微小単位面積当たりにかかるせん断力Ｅｂｏｔｔｏｍが材料の破断応力Ｅｂｒｅａｋ以下であればよいので、
Ｅｂｒｅａｋ＞Ｅｂｏｔｔｏｍ
つまり
Ｅｂｒｅａｋ＞α・β・Φ・ｔ・Ｅｅｘｐａｎｓｉｏｎ
を満たすように材料の厚さおよび直径を規定することが必要である。
In order to suppress the irreversible change in the vicinity of the joint interface, the shear force Ebottom applied per minute unit area in the vicinity of the joint interface may be less than or equal to the breaking stress Ebreak of the material.
Ebreak> Ebottom
That is, Ebreak> α ・ β ・ Φ ・ t ・ Eexpansion
It is necessary to define the material thickness and diameter to satisfy.
超音波センサーの接合部材の膨張率の違いにより発生するせん断力を構造によって緩和し、接合界面付近に生じる不可逆変化を抑制することで、感度低下を引き起こさない構造を有する超音波センサーを提供することができる。 To provide an ultrasonic sensor having a structure that does not cause a decrease in sensitivity by relaxing the shear force generated by the difference in expansion coefficient of the bonding member of the ultrasonic sensor by the structure and suppressing the irreversible change that occurs near the bonding interface. Can do.
本発明は、少なくとも圧電素子と音響整合層からなり、前記音響整合層と前記音響整合層と接合される部材の膨張率の差によって接合面に生じるせん断力による接合面付近の不可逆的な変形を抑制する構造を持つ超音波センサーである。 The present invention includes at least a piezoelectric element and an acoustic matching layer, and irreversible deformation in the vicinity of the joint surface due to a shear force generated on the joint surface due to a difference in expansion coefficient between the acoustic matching layer and a member joined to the acoustic matching layer. It is an ultrasonic sensor with a structure to suppress.
以下、図面を参照しながら、本発明の超音波センサーの実施の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。 Hereinafter, embodiments of the ultrasonic sensor of 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.
（実施の形態１）
（超音波センサー）
図１（ａ）は、本開示の超音波センサーの一例を示す断面図である。超音波センサー１は、第一音響整合層３と圧電素子２を備える。圧電素子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。圧電素子２は、有底筒状の金属製の筐体５の天板の内側に接合されており、開放端が端子板８で封止されている。
(Embodiment 1)
(Ultrasonic sensor)
FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating an example of the ultrasonic sensor according to the present disclosure. The ultrasonic sensor 1 includes a first acoustic matching layer 3 and a piezoelectric element 2. The piezoelectric element 2 is made of piezoelectric ceramics and is polarized in the thickness direction. The piezoelectric element 2 is bonded to the inside of the top plate of the bottomed cylindrical metal housing 5, and the open end is sealed with the terminal plate 8.
圧電素子２の両面に構成された電極の内、一方の電極はリード線９により引き出され端子６ａに接続さており、他方の電極は筐体５、端子板８を介して、端子板８に接続された端子６ｂと導通している。なお、端子６ａは絶縁材７により端子板８とは絶縁されている。第一音響整合層３は、筐体５の天板の外面に接合されている。 Of the electrodes formed on both surfaces of the piezoelectric element 2, one electrode is drawn out by the lead wire 9 and connected to the terminal 6 a, and the other electrode is connected to the terminal plate 8 through the housing 5 and the terminal plate 8. It is electrically connected to the terminal 6b. The terminal 6a is insulated from the terminal plate 8 by an insulating material 7. The first acoustic matching layer 3 is bonded to the outer surface of the top plate of the housing 5.
図１（ｂ）に示す超音波センサー１０は、図１（ａ）における第一音響整合層３と筐体５との間に、第二音響整合層４を挿入した構成としており、図１（ａ）の超音波センサー１に比べさらなる特性向上を図ることができる。 The ultrasonic sensor 10 shown in FIG. 1B has a configuration in which the second acoustic matching layer 4 is inserted between the first acoustic matching layer 3 and the housing 5 in FIG. Compared with the ultrasonic sensor 1 of a), further improvement in characteristics can be achieved.
そして、第一音響整合層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素子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 first acoustic matching layer 3 is for transmitting an ultrasonic wave to the fluid or receiving an ultrasonic wave that has propagated through the fluid, and the mechanical vibration of the piezoelectric element 2 excited by the driving AC voltage is generated. It has a role of efficiently coming out as an ultrasonic wave to an external medium and efficiently converting the reached ultrasonic wave into a voltage.
本発明における第一音響整合層３に適した材料としては、気体と圧電素子の音響インピーダンス整合を考慮すると、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。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０．０７ｇ／ｃｍ３であることが好ましい密度条件である。 As a material suitable for the first acoustic matching layer 3 in the present invention, in consideration of acoustic impedance matching between a gas and a piezoelectric element, it is formed of a foamed resin having a closed pore structure, and has a plurality of holes and adjacent wall portions. A hard resin foam having a configuration including 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 0.07 g / cm 3 .
また、第一音響整合層３と第二音響整合層４を積層することで、気体に対する超音波センサーの特性向上が見込めるが、この時、第二音響整合層４としては、高密度樹脂や金属、ガラスバルーン（中空の微小なガラス球）含有軽量樹脂、第一音響整合層３には前述の硬質樹脂発泡体が材料として適している。 Further, by laminating the first acoustic matching layer 3 and the second acoustic matching layer 4, it is possible to improve the characteristics of the ultrasonic sensor with respect to the gas. At this time, the second acoustic matching layer 4 may be a high-density resin or metal. The above-mentioned hard resin foam is suitable for the lightweight resin containing glass balloon (hollow minute glass sphere) and the first acoustic matching layer 3.
高密度樹脂の例として、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／ｃｍ３から２．０ｇ／ｃｍ３が好ましい。なお、最適である密度は１．３ｇ／ｃｍ３近傍が積層時に高特性を示す。 Examples of the high density resin include 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 . Note that the optimum density is around 1.3 g / cm 3 and shows high characteristics when laminated.
また、金属は圧電体の厚さ適正化部材としても働き、さらに筐体５とも接合が強固であることから信頼性の観点からも優れた材料である。ガラスバルーン含有軽量樹脂は、樹脂内にガラスバルーンによる空隙を設けたことにより、０．５ｇ／ｃｍ３程度まで密度が低減できる。さらに、表面にはガラスバルーンの半球が露出しており、多数の孔が空いているといった特徴を有する。 Metal is also an excellent material from the viewpoint of reliability because it works as a member for optimizing the thickness of the piezoelectric body and is also strongly bonded to the housing 5. The density of the glass balloon-containing lightweight resin can be reduced to about 0.5 g / cm 3 by providing a void by the glass balloon in the resin. Further, the surface is characterized in that a hemisphere of a glass balloon is exposed on the surface and a large number of holes are formed.
本実施の形態の超音波センサー１，１０は、例えば以下の手順により、製造することができる。まず、筐体５、圧電素子２、第一音響整合層３、および第二音響整合層４を用意する。第一音響整合層３及び第二音響整合層４は、予め、所望の厚さを有するように加工されている。筐体５おける天板の内面に接着剤などで圧電素子２を張り付ける。また、天板の外面に第一音響整合層３を張り付ける。音響整合層を２層とする場合は、天板の外面に第二音響整合層４を張り付け、さらに第二音響整合層上に第一音響整合層３を張り付ける。その後、端子板８で筐体５の開口部を封止し、圧電素子２と端子６ａ，６ｂ等との接続を行う。最後に、端子板８と端子６ａの隙間を、接着剤などを用いて絶縁材７で閉じることによって、超音波センサーが完成する。
（実施例）
以下、実施形態の超音波センサーを作製し、特性を調べた結果を説明する。
１．試料の作製
以下の実施例では、吸湿膨潤しやすい発泡体としてポリメタクリルイミド発泡樹脂を用いている。密度０．０７ｇ／ｃｍ３のポリメタクリルイミド発泡樹脂の膨張率１％、破断応力１．５ＭＰａ膨張時のひずみによる応力０．３ＭＰａ、係数６．７６×１０＾７、半径１０ｍｍの条件から接合界面付近の不可逆変化を抑制する厚さは０．７４ｍｍであると分かった。また、密度０．０５ｇ／ｃｍ３のポリメタクリルイミド発泡樹脂の膨張率１％、破断応力０．８ＭＰａ膨張時のひずみによる応力０．０４ＭＰａ、補正係数６．７６×１０＾７、半径１０ｍｍの条件から接合界面付近の不可逆変化を抑制する厚さは３ｍｍであると分かった。なお、音響整合層の厚さは非接触式のレーザー変位測定器を用いて測定を行っている。
The ultrasonic sensors 1 and 10 of the present embodiment can be manufactured, for example, by the following procedure. First, the housing 5, the piezoelectric element 2, the first acoustic matching layer 3, and the second acoustic matching layer 4 are prepared. The first acoustic matching layer 3 and the second acoustic matching layer 4 are processed in advance to have a desired thickness. The piezoelectric element 2 is attached to the inner surface of the top plate in the housing 5 with an adhesive or the like. Moreover, the 1st acoustic matching layer 3 is stuck on the outer surface of a top plate. When two acoustic matching layers are used, the second acoustic matching layer 4 is pasted on the outer surface of the top plate, and the first acoustic matching layer 3 is pasted on the second acoustic matching layer. Thereafter, the opening of the housing 5 is sealed with the terminal plate 8, and the piezoelectric element 2 and the terminals 6a and 6b are connected. Finally, the ultrasonic sensor is completed by closing the gap between the terminal plate 8 and the terminal 6a with the insulating material 7 using an adhesive or the like.
(Example)
Hereinafter, the results of manufacturing the ultrasonic sensor of the embodiment and examining the characteristics will be described.
1. Sample Preparation In the following examples, a polymethacrylimide foamed resin is used as a foam that easily absorbs moisture and swells. Bonding interface based on the conditions of expansion rate of 1% of polymethacrylimide foamed resin with a density of 0.07 g / cm 3 , stress of 0.3 MPa due to strain at the time of expansion of 1.5 MPa breaking stress, coefficient 6.76 × 10 ^ 7, radius 10 mm The thickness to suppress the irreversible change in the vicinity was found to be 0.74 mm. Further, the expansion ratio of 1% polymethacrylimide foam resin density 0.05 g / cm 3, breaking stress 0.8MPa inflated stress by strain 0.04 MPa, the correction coefficient 6.76 × 10 ^ 7, the radius 10mm Condition Thus, it was found that the thickness for suppressing the irreversible change in the vicinity of the bonding interface was 3 mm. Note that the thickness of the acoustic matching layer is measured using a non-contact type laser displacement measuring instrument.
（実施例１）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１の作製を行った。
(Example 1)
In Embodiment 1, the ultrasonic sensor 1 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。 As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and a density of 0.07 g / cm is processed into a disk shape having a thickness of 0.70 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the acoustic matching layer has the highest propagation efficiency is 1/4 times the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the acoustic matching layer, so that 0.8 mm is the optimum thickness, but this example is thinner. An acoustic matching layer is used.
（実施例２）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１の作製を行った。
(Example 2)
In Embodiment 1, the ultrasonic sensor 1 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。 As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７４ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and a density of 0.07 g / cm is processed into a disk shape having a thickness of 0.74 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the acoustic matching layer has the highest propagation efficiency is 1/4 times the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the acoustic matching layer, so that 0.8 mm is the optimum thickness, but this example is thinner. An acoustic matching layer is used.
（実施例３）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
(Example 3)
In the first embodiment, the ultrasonic sensor 10 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。 As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓｅｃであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。 As the second acoustic matching layer 4, a glass epoxy in which a disk-like glass balloon having a diameter of 10 mm or a plastic balloon is hardened with a resin material was used. In this glass epoxy, the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz transmitted from the sensor was 2500 m / sec. Since the density was 0.5 g / cm 3 , the thickness was set to 1250 μm so as to be ¼ of the ultrasonic oscillation wavelength.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and a density of 0.07 g / cm is processed into a disk shape having a thickness of 0.70 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the acoustic matching layer has the highest propagation efficiency is 1/4 times the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the acoustic matching layer, so that 0.8 mm is the optimum thickness, but this example is thinner. An acoustic matching layer is used.
（実施例４）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
Example 4
In the first embodiment, the ultrasonic sensor 10 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。 As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓｅｃであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。 As the second acoustic matching layer 4, a glass epoxy in which a disk-like glass balloon having a diameter of 10 mm or a plastic balloon is hardened with a resin material was used. In this glass epoxy, the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz transmitted from the sensor was 2500 m / sec. Since the density was 0.5 g / cm 3 , the thickness was set to 1250 μm so as to be ¼ of the ultrasonic oscillation wavelength.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７４ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and a density of 0.07 g / cm is processed into a disk shape having a thickness of 0.74 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the acoustic matching layer has the highest propagation efficiency is 1/4 times the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the acoustic matching layer, so that 0.8 mm is the optimum thickness, but this example is thinner. An acoustic matching layer is used.
（実施例５）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
(Example 5)
In the first embodiment, the ultrasonic sensor 10 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。 As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第二音響整合層４として厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のアルミニウムを用いた。 As the second acoustic matching layer 4, disc-shaped aluminum having a thickness of 1.0 mm and a diameter of 10 mm was used.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７４ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。なお、参考として厚さ０．７０ｍｍについても作成し特性を調べた。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and a density of 0.07 g / cm is processed into a disk shape having a thickness of 0.74 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the propagation efficiency of the acoustic matching layer is the highest is ¼ times the wavelength, and thus the optimum thickness is 0.8 mm. In this embodiment, a thinner acoustic matching layer is used. For reference, a thickness of 0.70 mm was also prepared and the characteristics were examined.
（実施例６）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
(Example 6)
In the first embodiment, the ultrasonic sensor 10 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。 As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第二音響整合層４として厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のＰＥＥＫ樹脂を用いた。ＰＥＥＫ樹脂の密度は１．３ｇ／ｃｍ３であり、シミュレーションの結果から硬質発泡樹脂を積層構造にする際の最適な密度であることが分かっている。 A disk-shaped PEEK resin having a thickness of 1.0 mm and a diameter of 10 mm was used as the second acoustic matching layer 4. The density of the PEEK resin is 1.3 g / cm 3 , and it is known from the simulation results that the density is optimum when the hard foamed resin is made into a laminated structure.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７４ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。なお、参考として厚さ０．７０ｍｍについても作成し特性を調べた。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and a density of 0.07 g / cm is processed into a disk shape having a thickness of 0.74 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the propagation efficiency of the acoustic matching layer is the highest is ¼ times the wavelength, and thus the optimum thickness is 0.8 mm. In this embodiment, a thinner acoustic matching layer is used. For reference, a thickness of 0.70 mm was also prepared and the characteristics were examined.
（実施例７）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
(Example 7)
In the first embodiment, the ultrasonic sensor 10 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を
用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓｅｃであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。 As the second acoustic matching layer 4, a glass epoxy in which a disk-like glass balloon having a diameter of 10 mm or a plastic balloon is hardened with a resin material was used. In this glass epoxy, the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz transmitted from the sensor was 2500 m / sec. Since the density was 0.5 g / cm 3 , the thickness was set to 1250 μm so as to be ¼ of the ultrasonic oscillation wavelength.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０５ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed to form a molded product made of closed cells, and a density of 0.05 g / cm is processed into a disk shape having a thickness of 0.70 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the acoustic matching layer has the highest propagation efficiency is 1/4 times the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the acoustic matching layer, so that 0.8 mm is the optimum thickness, but this example is thinner. An acoustic matching layer is used.
（実施例８）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
(Example 8)
In the first embodiment, the ultrasonic sensor 10 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。 As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓｅｃであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。 As the second acoustic matching layer 4, a glass epoxy in which a disk-like glass balloon having a diameter of 10 mm or a plastic balloon is hardened with a resin material was used. In this glass epoxy, the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz transmitted from the sensor was 2500 m / sec. Since the density was 0.5 g / cm 3 , the thickness was set to 1250 μm so as to be ¼ of the ultrasonic oscillation wavelength.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０５ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７４ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and a density of 0.05 g / cm is processed into a disk shape having a thickness of 0.74 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the acoustic matching layer has the highest propagation efficiency is 1/4 times the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the acoustic matching layer, so that 0.8 mm is the optimum thickness, but this example is thinner. An acoustic matching layer is used.
（実施例９）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
Example 9
In the first embodiment, the ultrasonic sensor 10 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。 As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。 As the second acoustic matching layer 4, a glass epoxy in which a disk-like glass balloon having a diameter of 10 mm or a plastic balloon is hardened with a resin material was used. In this glass epoxy, the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz transmitted from the sensor was 2500 m / s. Since the density was 0.5 g / cm 3 , the thickness was set to 1250 μm so as to be ¼ of the ultrasonic oscillation wavelength.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０５ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．８０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍは最適厚さとなる。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and the density is 0.05 g / cm, which is processed into a disk shape having a thickness of 0.80 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the acoustic matching layer has the highest propagation efficiency is ¼ times the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the acoustic matching layer, so 0.8 mm is the optimum thickness.
（比較例１）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１の作製を行った。
(Comparative Example 1)
In Embodiment 1, the ultrasonic sensor 1 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。 As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．８０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍは最適厚さとなる。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and the density is 0.07 g / cm, which is processed into a disk shape with a thickness of 0.80 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the acoustic matching layer has the highest propagation efficiency is ¼ times the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the acoustic matching layer, so 0.8 mm is the optimum thickness.
（比較例２）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
(Comparative Example 2)
In the first embodiment, the ultrasonic sensor 10 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。 As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓｅｃであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。 As the second acoustic matching layer 4, a glass epoxy in which a disk-like glass balloon having a diameter of 10 mm or a plastic balloon is hardened with a resin material was used. In this glass epoxy, the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz transmitted from the sensor was 2500 m / sec. Since the density was 0.5 g / cm 3 , the thickness was set to 1250 μm so as to be ¼ of the ultrasonic oscillation wavelength.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．８０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍは最適厚さとなる。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and the density is 0.07 g / cm, which is processed into a disk shape with a thickness of 0.80 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the acoustic matching layer has the highest propagation efficiency is ¼ times the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the acoustic matching layer, so 0.8 mm is the optimum thickness.
（比較例３）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
(Comparative Example 3)
In the first embodiment, the ultrasonic sensor 10 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。 As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第二音響整合層４として厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のアルミニウムを用いた。 As the second acoustic matching layer 4, disc-shaped aluminum having a thickness of 1.0 mm and a diameter of 10 mm was used.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．８０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍは最適厚さとなる。 As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and the density is 0.07 g / cm, which is processed into a disk shape with a thickness of 0.80 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the acoustic matching layer has the highest propagation efficiency is ¼ times the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the acoustic matching layer, so 0.8 mm is the optimum thickness.
（比較例４）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
(Comparative Example 4)
In the first embodiment, the ultrasonic sensor 10 was manufactured as follows.
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を
用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
As the piezoelectric element 2, a disc-shaped lead zirconate titanate having a thickness of 3.8 mm and a diameter of 10 mm was used. As the adhesive, an epoxy adhesive that is liquid at normal temperature and solidifies by heating was used. A casing made of SUS304 having a thickness of 0.2 mm was used.
第二音響整合層４として厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のＰＥＥＫ樹脂を用いた。 A disk-shaped PEEK resin having a thickness of 1.0 mm and a diameter of 10 mm was used as the second acoustic matching layer 4.
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．８０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍは最適厚さとなる。
２．特性の評価
作製した超音波センサーの感度を測定した。測定方法は、作製した一対の超音波センサーを対向させ、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。また、接合の信頼性を確認する方法として恒温恒湿試験を実施し、試験実施後１日経過させたセンサーの感度特性測定によって評価した。図２にこれらの結果をまとめて示す。
As the first acoustic matching layer 3, a polymethacrylimide resin is foamed into a molded product made of closed cells, and the density is 0.07 g / cm, which is processed into a disk shape with a thickness of 0.80 mm and a diameter of 10 mm. Used. The thickness at which the acoustic matching layer has the highest propagation efficiency is ¼ times the wavelength of the ultrasonic wave propagating in the acoustic matching layer, so 0.8 mm is the optimum thickness.
2. Evaluation of characteristics The sensitivity of the produced ultrasonic sensor was measured. In the measurement method, a pair of produced ultrasonic sensors 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. In addition, a constant temperature and humidity test was performed as a method for confirming the reliability of the bonding, and evaluation was performed by measuring the sensitivity characteristics of the sensor that was allowed to pass for one day after the test. FIG. 2 summarizes these results.
また、信頼性については比較例１と同程度、もしくはそれ以上に感度低下しているものは「×」、比較例１に対して感度変化していない試料に「◎」、感度は低下していないが増加した試料に「〇」を記した。 Regarding reliability, “×” indicates that the sensitivity has decreased to the same level as or higher than that of Comparative Example 1, and “◎” indicates that the sensitivity has not changed compared to Comparative Example 1, and the sensitivity has decreased. “O” is marked on the sample that has increased but not.
図２に示すように、第一音響整合層３に使用したポリメタクリルイミド樹脂発泡体（密度０．０７ｇ／ｃｍ３）の厚みを規定値（０．７４ｍｍ）以下に設定することで、感度が低下しない優れた信頼性を得ることができる。感度低下したセンサーに関しては、試験実施後１週間経過しても感度は元に戻らないことから、音響整合層に不可逆変化が生じている。 As shown in FIG. 2, by setting the thickness of the polymethacrylimide resin foam (density 0.07 g / cm 3 ) used for the first acoustic matching layer 3 to a specified value (0.74 mm) or less, the sensitivity is increased. Excellent reliability that does not decrease can be obtained. For a sensor with reduced sensitivity, the sensitivity does not return to the original even after one week has passed since the test was performed, so an irreversible change occurs in the acoustic matching layer.
また、第二音響整合層４にガラスエポキシを用いた場合、感度の変化率が鈍感になった。これはガラスエポキシの表面の孔がせん断力を緩和するように働いたためであると考えられる。 Moreover, when glass epoxy was used for the second acoustic matching layer 4, the rate of change in sensitivity became insensitive. This is thought to be because the pores on the surface of the glass epoxy worked to relieve the shearing force.
さらに、第一音響整合層３として、密度０．０５ｇ／ｃｍ３のポリメタクリルイミド樹脂発泡体を音響整合層に使用した時、膨潤時のひずみによる応力が密度０．０７ｇ／ｃｍ３に比べて低下することから、厚さ適応範囲が厚くなり、音響整合層中を伝搬する音波の波長λの略１／４の厚さである０．８ｍｍを用いても感度低下を引き起こさない。 Further, as the first acoustic matching layer 3, when the polymethacrylimide resin foam density 0.05 g / cm 3 was used for the acoustic matching layer, the stress due to strain at swelling as compared to the density 0.07 g / cm 3 Therefore, even if a thickness of 0.8 mm, which is approximately ¼ of the wavelength λ of the sound wave propagating in the acoustic matching layer, is used, the sensitivity is not lowered.
以上から、音響整合層の厚みを、接合面に生じるせん断力により、音響整合層の不可逆的な変形を引き起こさない厚さとすることで、感度低下を引き起こさない超音波センサーを得られることが分かる。 From the above, it can be seen that an ultrasonic sensor that does not cause a decrease in sensitivity can be obtained by setting the thickness of the acoustic matching layer to a thickness that does not cause irreversible deformation of the acoustic matching layer by the shearing force generated on the joint surface.
なお、今回の実験においては、音響整合層の厚みに着目したが、音響整合層の端部にかかるせん断力は、音響整合層の中心からの距離に応じて増大するため、接合面積を小さくすることでも、せん断力を低減することができることから、音響整合層の接合面の面積を、接合面に生じるせん断力により、音響整合層の不可逆的な変形を引き起こさない面積とすることで同様の効果を得ることが出来る。 In this experiment, we focused on the thickness of the acoustic matching layer, but the shearing force applied to the edge of the acoustic matching layer increases with the distance from the center of the acoustic matching layer, so the bonding area is reduced. However, since the shearing force can be reduced, the same effect can be obtained by setting the area of the bonding surface of the acoustic matching layer to an area that does not cause irreversible deformation of the acoustic matching layer due to the shearing force generated on the bonding surface. Can be obtained.
以上のように、本発明にかかる超音波センサーは、種々の流体の測定用流量計に好適に用いられる。特に、使用環境が、室内環境に比較して多湿環境で優れた耐久性を要する用途に、好適に用いられる。 As described above, the ultrasonic sensor according to the present invention is suitably used for flow meters for measuring various fluids. In particular, the use environment is suitably used for applications that require superior durability in a humid environment as compared to the indoor environment.
１、１０ 超音波センサー
２ 圧電素子
３ 第一音響整合層（音響整合層）
４ 第二音響整合層（音響整合層）
1, 10 Ultrasonic sensor 2 Piezoelectric element 3 First acoustic matching layer (acoustic matching layer)
4 Second acoustic matching layer (acoustic matching layer)
Claims (3)
前記音響整合層と前記音響整合層と接合される部材の膨張率の差によって接合面に生じるせん断力による接合面付近の不可逆的な変形を抑制する構造を持つ超音波センサー。 Consisting of at least a piezoelectric element and an acoustic matching layer,
An ultrasonic sensor having a structure that suppresses irreversible deformation in the vicinity of a joint surface due to a shearing force generated on a joint surface due to a difference in expansion coefficient between the acoustic matching layer and a member joined to the acoustic matching layer.
Priority Applications (1)
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| JP2018084823A JP2019193130A (en) | 2018-04-26 | 2018-04-26 | Ultrasonic sensor |
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| JP2019193130A true JP2019193130A (en) | 2019-10-31 |
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ID=68391047
Family Applications (1)
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| JP2018084823A Pending JP2019193130A (en) | 2018-04-26 | 2018-04-26 | Ultrasonic sensor |
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-
2018
- 2018-04-26 JP JP2018084823A patent/JP2019193130A/en active Pending
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