JP2021090139A

JP2021090139A - 超音波センサ

Info

Publication number: JP2021090139A
Application number: JP2019219390A
Authority: JP
Inventors: 林　智仁; Tomohito Hayashi; 智仁林; 大雅原田; Taiga Harada
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2021-06-10

Abstract

【課題】部材間の熱膨張係数の違いによる接着部の剥離を伴う反りの発生を抑える。【解決手段】金属板１２と、金属板１２の上側面１２Ａに接着された圧電素子１１と、金属板１２の下側面１２Ｂに接着された音響整合層１３と、圧電素子１１を覆うように形成され、金属板１２の一方の面に接着された被覆部材１４とを備え、被覆部材１４の熱膨張係数、または、被覆部材１４と圧電素子１１とを合わせた見かけ上の熱膨張係数が、圧電素子１１のみの場合に比較して、音響整合層１３の熱膨張係数に近い値とされている。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、熱膨張係数が異なる部材を接着して製造する超音波センサの製造技術に関する。

管路内を流れる流体の流速や流量を測定する流量計の１つとして、超音波センサで管路内を流れる流体に超音波を伝播させ、その伝播速度の変化に基づいて流体の流速や流量などを測定する超音波流量計がある。従来、このような超音波流量計で用いられる超音波センサとして、金属板を介して圧電素子と音響整合層とを接着し、これらをコーティング材や制振部材などの被覆部材で覆った構造が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。

特開２０１３−２５３７９１号公報

このような超音波センサにおいて、圧電素子、金属板、音響整合層、および被覆部材などの各種部材を樹脂接着剤で接着する際、高い接着性が求められるため、接着時に加熱することにより、樹脂接着剤の硬化を促進させる必要がある。

しかしながら、これら部材はそれぞれ固有の熱膨張係数を有しており、樹脂接着剤を硬化させる時の加熱により、それぞれの部材で異なる膨張収縮が発生する。このため、これら部材間で反りが発生し、接着している部分（接着部）が剥離する原因となるという問題点がある。また、これら反りは、超音波センサ自体の計測特性に影響を与えるという問題点があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、部材間の熱膨張係数の違いによる、接着部の剥離を伴う反りの発生を抑えることができる超音波センサを提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる超音波センサは、圧電素子と、この圧電素子に接着された音響整合層と、圧電素子を覆うように形成され、音響整合層に接着された被覆部材とを備え、被覆部材の熱膨張係数、または、被覆部材と圧電素子とを合わせた見かけ上の熱膨張係数は、圧電素子のみの場合に比較して、音響整合層の熱膨張係数に近い値とされている。

また、本発明に係る超音波センサは、金属板と、金属板の一方の面に接着された圧電素子と、金属板の他方の面に接着された音響整合層と、圧電素子を覆うように形成され、金属板の一方の面に接着された被覆部材とを備え、被覆部材の熱膨張係数、または、被覆部材と圧電素子とを合わせた見かけ上の熱膨張係数は、圧電素子のみの場合に比較して、音響整合層の熱膨張係数に近い値とされている。

上記超音波センサ一構成例において、被覆部材は、圧電素子に接着されている。

上記超音波センサ一構成例において、圧電素子は、複数の溝を有する。

上記超音波センサ一構成例において、被覆部材は、複数の圧電体部の各々の間を充填して形成されている。

上記超音波センサ一構成例において、被覆部材は、圧電素子の振動を制振する制振部材からなる。

上記超音波センサ一構成例において、被覆部材は、ウレタン樹脂を主材として形成されている。

上記超音波センサ一構成例において、被覆部材は、シリコーン樹脂を主材として形成されている。

上記超音波センサ一構成例において、被覆部材は、エポキシ樹脂を主材として形成されている。

上記超音波センサ一構成例において、被覆部材は、主材と、主材に分散された主材より堅い材料からなる複数の粒子とから構成されている。

本発明によれば、圧電素子が、音響整合層の熱膨張係数と大きく異なる熱膨張係数を有する場合でも、加熱あるいは冷却時における反りを大幅に抑制することが可能となる。したがって、これら部材を接着する樹脂接着剤の硬化を促進させるために、超音波センサ全体を加熱しても、反りによる接着部の剥離を抑制できるとともに、反りによる超音波センサ自体の計測特性へ影響を抑制できる。

図１Ａは、本発明の実施の形態に係る超音波センサの構成を示す平面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る超音波センサの構成を示す断面図である。図１Ｃは、本発明の実施の形態に係る超音波センサの構成を示す斜視図である。図２は、シミュレーションを実施した従来の超音波センサの構成を示す斜視図である。図３Ａは、従来の超音波センサのシミュレーションの結果（６０℃加熱）を示すコンピュータグラフィックスである。図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る超音波センサのシミュレーションの結果（６０℃加熱）を示すコンピュータグラフィックスである。図４Ａは、従来の超音波センサのシミュレーションの結果（−３０℃冷却）を示すコンピュータグラフィックスである。図４Ｂは、本発明の実施の形態に係る超音波センサのシミュレーションの結果（−３０℃冷却）を示すコンピュータグラフィックスである。図５Ａは、従来の超音波センサのシミュレーションの結果（残留応力６０℃）を示すコンピュータグラフィックスである。図５Ｂは、本発明の実施の形態に係る超音波センサのシミュレーションの結果（残留応力６０℃）を示すコンピュータグラフィックスである。図６Ａは、従来の超音波センサのシミュレーションの結果（残留応力−３０℃）を示すコンピュータグラフィックスである。図６Ｂは、本発明の実施の形態に係る超音波センサのシミュレーションの結果（残留応力−３０℃）を示すコンピュータグラフィックスである。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

［超音波センサ］
まず、図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃを参照して、本発明の実施の形態にかかる超音波センサ１０について説明する。図１Ｂは、図１ＡのＡＡ断面を示す。

図１Ａ，図１Ｂ，および図１Ｃに示すように、この超音波センサ１０は、主な部材として、圧電素子１１、金属板１２、音響整合層１３、および被覆部材１４から構成されている。以下では、圧電素子１１および音響整合層１３が、金属板１２を挟んで接着されている場合を例として説明するが、これに限定されるものではない。例えば、圧電素子１１および音響整合層１３が、樹脂接着剤で直接接着されている場合でも、同様の作用効果が得られる。

圧電素子１１は、全体として立方体形状をなし、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）による圧電セラミックスからなり、音響整合層側の接着面に沿ってアレイ状に二次元配置された複数の圧電体部１１Ａを有し、圧電体部１１Ａの間に溝部１１Ｂが格子状に形成されている。なお、圧電素子１１の構成については、これに限定されるものではなく、前述の特許文献１など、アレイ状に二次元配置された複数の圧電体を持たせることや、圧電部に溝を設けるなどの公知の構成にも同様にして適用可能である。なお、圧電素子１１１は、全体として直方体形状、円筒状とすることもできる。この形状は、使用目的に対して適宜に設定することができる。

金属板１２は、円形状とされ、ステンレス鋼などの金属から構成されている。金属板１２の上側面（一方の面）１２Ａに、圧電素子１１が接着剤（例えば樹脂接着剤）で接着されている。金属板１２の上側面１２Ａに、圧電素子１１の、音響整合層１３に向かい合う面が、接着されている。また、金属板１２の下側面（他方の面）１２Ｂに、音響整合層１３が接着剤（樹脂接着剤）で接着されている。金属板１２の下側面１２Ｂに、音響整合層１３の、圧電素子１１に向かい合う面が、接着されている。

音響整合層１３は、全体として円筒形状をなし、例えばガラスビーズなどの中空体の隙間に、熱硬化性樹脂化合物であるエポキシ樹脂を含浸して加熱硬化した硬化物（ＡＭＬ：Acoustic Matched Layer／音響整合層）からなり、超音波センサ１０が取り付けられる部材や圧電素子１１と、センシング対象の流体との間の音響インピーダンスを整合させる。なお、音響整合層１３は、全体として直方体形状とすることもできる。この形状は、使用目的に対して適宜に設定することができる。

被覆部材１４は、全体として（外形の形状が）円筒形状をなし、圧電素子１１を覆うように形成され、金属板１２の上側面（一方の面）１２Ａに、接着剤で接着されている。被覆部材１４の、音響整合層１３に向かい合う面が、金属板１２の上側面１２Ａに接着されている。被覆部材１４は、圧電素子１１の金属板１２Ａに接着されていない領域を覆っている。また、被覆部材１４は、圧電素子１１に接着されている。なお、被覆部材１４は、全体として（外形の形状が）直方体形状とすることもできる。

被覆部材１４は、例えば、ウレタン樹脂、シリコーンゴムなどのシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂を主材として構成されている。また、被覆部材１４は、主材と、主材に分散された主材より堅い材料（例えばガラス）からなる複数の粒子とから構成することもできる。このように、構成し、例えば、分散させる粒子の材料や量を調整することなどにより、被覆部材１４の見かけ上の線膨張係数を調整することができる。被覆部材１４は、圧電素子１１を保護する保護部材であるが、圧電素子１１の振動を制振する制振部材とすることもできる。

なお、圧電素子１１および音響整合層１３が、接着剤で直接接着されている場合、被覆部材１４は、圧電素子１１を覆うように形成され、音響整合層１３に接着されるものとなる。この場合、被覆部材１４は、圧電素子１１の音響整合層１３に接着されていない領域を覆うものとなる。

［本発明の原理］
本発明の原理について説明する。
後述するように、超音波センサ１０を構成する圧電素子１１、金属板１２、音響整合層１３の反りをそれぞれシミュレーションしたところ、各部材間における熱膨張係数（線膨張係数）の違いが、反りの主な発生原因であることが分かった。これら圧電素子１１、金属板１２、音響整合層１３の線膨張係数を比較すると、金属板１２および音響整合層１３に比較して、圧電素子１１の線膨張係数が１桁分（１０倍程度）も異なることが分かった。

図４は、各部材の線膨張係数を示す説明図である。図４に示すように、超音波センサ１０を構成する圧電素子１１、金属板１２、音響整合層１３の線膨張係数は、それぞれ３．７×１０^-6［１／℃］，１．７×１０^-5［１／℃］，２．３×１０^-5［１／℃］である。この際、圧電素子１１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ₃）からなり、金属板１２は、ステンレス（ＳＵＳ）からなり、音響整合層１３は、ＡＭＬからなるものとした。

本発明は、このような、各部材間における熱膨張係数（線膨張係数）の違いが、反りの主な発生原因である点、および、金属板１２および音響整合層１３に比較して、圧電素子１１の線膨張係数が大きく異なる点に着目し、圧電素子１１の側の線膨張係数を、音響整合層１３の線膨張係数に近づけることが、反りの発生を抑制する上で極めて重要であることに想到した。

そして、圧電素子１１が被覆部材１４に覆われていることに着目し、圧電素子１１の線膨張係数を調整するための具体的な構成として、被覆部材１４の線膨張係数、または、被覆部材と圧電素子１１とを合わせた見かけ上の線膨張係数を、圧電素子１１のみの場合より、音響整合層１３の線膨張係数に近づけるようにした。例えば、被覆部材１４の線膨張係数、または、被覆部材と圧電素子１１とを合わせた見かけ上の線膨張係数と、音響整合層１３の線膨張係数とが、等しく、あるいは、ほぼ等しくすることが考えられる。より具体的には、音響整合層１３の線膨張係数に近い線膨張係数を有する被覆部材１４を用いることにより、圧電素子１１の見かけ上の線膨張係数を調整するようにしたものである。

なお、被覆部材１４の線膨張係数、または、被覆部材１４と圧電素子１１とを合わせた見かけ上の線膨張係数を、音響整合層１３の線膨張係数に対して、どの程度まで近しい値とするのかについては、対象となる超音波センサ１０において発生する反りに伴う接着部の剥離、さらには流量計測特性への影響が、超音波センサ１０の品質性能の範囲内に納まるよう、具体的に調整すればよい。

［シミュレーション］
次に、超音波センサ１０を構成する圧電素子１１、金属板１２、音響整合層１３の反りに関するシミュレーションについて説明する。

シミュレーションにおいて、本実施の形態にかかる超音波センサ１０は、図１Ａ、図１Ｂ，図１Ｃを用いて説明した構成を有するものである。また、比較のため、図２に示す従来の超音波センサ２０についてもシミュレーションを行った。超音波センサ２０は、被覆部材１４がない構成であり、その他の構成は超音波センサ１０と同じである。

圧電素子１１の寸法は、全体として幅Ｗ１０［ｍｍ］×長さＤ１０［ｍｍ］×厚さＴ３［ｍｍ］である。金属板１２の寸法は、直径φ２０［ｍｍ］×厚さＴ０．３［ｍｍ］である。音響整合層１３の寸法は、直径φ１６［ｍｍ］×厚さＴ１．０［ｍｍ］である。被覆部材１４の寸法（外形）は、直径が１６［ｍｍ］×厚さＴ５［ｍｍ］である。これら寸法は、超音波センサ１０および超音波センサ２０で共通とした。また、図４に示した各部材の線膨張係数も、超音波センサ１０および超音波センサ２０で共通とした。

図３Ａに、従来の超音波センサのシミュレーション（反り）の結果（６０℃加熱）を示し、図３Ｂに、本発明の超音波センサのシミュレーション（反り）の結果（６０℃加熱）を示す。図３Ａに示すように、従来の超音波センサ２０を６０℃に加熱した場合、発生した反りは最大で９．６１９［μｍ］である。これに対して、図３Ｂに示すように、本発明の超音波センサ１０を６０℃に加熱した場合、発生した反りは最大で７．００８［μｍ］であり、反りが従来に比較して抑制されていることが分かる。

図４Ａに、従来の超音波センサのシミュレーション（反り）の結果（−３０℃冷却）を示し、図４Ｂは、本発明の超音波センサのシミュレーション（反り）の結果（−３０℃冷却）を示す。図４Ａに示すように、従来の超音波センサ２０を−３０℃に冷却した場合、発生した反りは最大で１２．０２３［μｍ］である。これに対して、図４Ｂに示すように、本発明の超音波センサ１０を−３０℃に冷却した場合、発生した反りは最大で８．７５９［μｍ］であり、反りが従来に比較して抑制されていることが分かる。

次に、図５Ａに、従来の超音波センサのシミュレーション（残留応力）の結果を示し、図５Ｂに、本発明の超音波センサのシミュレーション（残留応力）の結果を示す。これらは、温度履歴を２０℃→６０℃→２０℃とした場合のシミュレーションの結果である。図５Ａに示すように、従来の超音波センサ２０に対して上述した熱履歴を与えた場合、残留応力は最大で２．７１２［ｋＰａ］である。これに対して、図５Ｂに示すように、本発明の超音波センサ１０に対して上述した熱履歴を与えた場合、残留応力は最大で１．０２７［ｋＰａ］であり、従来に比較して抑制されていることが分かる。

図６Ａに、従来の超音波センサのシミュレーション（残留応力）の結果を示し、図６Ｂに、本発明の超音波センサのシミュレーション（残留応力）の結果を示す。これらは、温度履歴を２０℃→−３０℃→２０℃とした場合のシミュレーションの結果である。図６Ａに示すように、従来の超音波センサ２０に対して上述した熱履歴を与えた場合、残留応力は最大で４．２４８［ｋＰａ］である。これに対して、図６Ｂに示すように、本発明の超音波センサ１０に対して上述した熱履歴を与えた場合、残留応力は最大で１．６０６［ｋＰａ］であり、従来に比較して抑制されていることが分かる。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、圧電素子１１と、この圧電素子１１に接着された音響整合層１３と、圧電素子１１を覆うように形成された被覆部材１４とを備え、を、圧電素子１１のみの場合より、音響整合層１３の線膨張係数に近づけるようにしたものである。例えば、被覆部材１４の熱膨張係数、または、被覆部材１４と圧電素子１１とを合わせた見かけ上の熱膨張係数を、音響整合層１３の熱膨張係数と等しく、あるいは、ほぼ等しくなるようにしたものである。

これにより、圧電素子１１が、音響整合層１３の熱膨張係数と大きく異なる熱膨張係数を有する場合でも、加熱あるいは冷却時における反りを大幅に抑制することが可能となる。したがって、これら部材を接着する樹脂接着剤の硬化を促進させるために、超音波センサ１０全体を加熱しても、反りによる接着部の剥離を抑制できるとともに、反りによる超音波センサ自体の計測特性へ影響を抑制できる。

また、本実施の形態において、圧電素子１１および音響整合層１３を、金属板を挟んで接着するようにしてもよい。これにより、圧電素子１１側と音響整合層１３側で用いる樹脂接着剤の種類を変えることができる。したがって、樹脂接着剤の硬さを圧電素子１１や音響整合層１３に合わせることができ、接着部の剥離や反りの影響を低減することが可能となる。

また、本実施の形態において、圧電素子１１が、複数の溝を有する構成とすることができる。このように、溝が形成される場合、圧電素子１１の金属板１２Ａに接着されていない領域を覆う被覆部材１４は、溝に充填させることができる。このように、被覆部材１４が溝に充填される構成とすることで、被覆部材１４と圧電素子１１を合わせた見かけ上の熱膨張係数を、被覆部材１４により調整しやすくなるとともに、むらなく調整することができる。なお、上述したように、圧電素子に複数の溝を設けると、圧電素子は、溝により分離された複数の柱状部を備える構成になるということもできる。

また、本実施の形態において、被覆部材１４として、圧電素子１１の振動を制振する制振部材を用いてもよい。これにより、圧電素子１１に発生する余分な振動の伝播を抑制することができる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１０…超音波センサ、１１…圧電素子、１２…金属板、１２Ａ…上側面、１２Ｂ…下側面、１３…音響整合層、１４…被覆部材。

Claims

圧電素子と、この圧電素子に接着された音響整合層と、
前記圧電素子を覆うように形成され、前記音響整合層に接着された被覆部材とを備え、
前記被覆部材の熱膨張係数、または、前記被覆部材と前記圧電素子とを合わせた見かけ上の熱膨張係数は、前記圧電素子のみの場合に比較して、前記音響整合層の熱膨張係数に近い値とされている
ことを特徴とする超音波センサ。
金属板と、
前記金属板の一方の面に接着された圧電素子と、
前記金属板の他方の面に接着された音響整合層と、
前記圧電素子を覆うように形成され、前記金属板の一方の面に接着された被覆部材とを備え、
前記被覆部材の熱膨張係数、または、前記被覆部材と前記圧電素子とを合わせた見かけ上の熱膨張係数は、前記圧電素子のみの場合に比較して、前記音響整合層の熱膨張係数に近い値とされている
ことを特徴とする超音波センサ。
請求項１または請求項２に記載の超音波センサにおいて、
前記被覆部材は、前記圧電素子に接着されていることを特徴とする超音波センサ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記圧電素子は、複数の溝を有することを特徴とする超音波センサ。
請求項４記載の超音波センサにおいて、
前記被覆部材は、前記複数の圧電体部の各々の間を充填して形成されていることを特徴とする超音波センサ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記被覆部材は、前記圧電素子の振動を制振する制振部材からなることを特徴とする超音波センサ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記被覆部材は、ウレタン樹脂を主材として形成されていることを特徴とする超音波センサ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記被覆部材は、シリコーン樹脂を主材として形成されていることを特徴とする超音波センサ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記被覆部材は、エポキシ樹脂を主材として形成されていることを特徴とする超音波センサ。
請求項７〜９のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記被覆部材は、前記主材と、前記主材に分散された前記主材より堅い材料からなる複数の粒子とから構成されていることを特徴とする超音波センサ。