JP4120214B2 - 超音波振動子用整合層の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用して気体や液体の流量測定、流速測定する超音波流量計の整合部材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波流量計に用いる超音波振動子は、例えば、特開平１１−１１８５５０号公報に開示されており、図６，７に示すように、超音波振動子１、ケース２、このケース２の天部３に固定された整合層４とからなる。
【０００３】
また、５は天部３の内壁面に配置された圧電体、６はケース２を固定するための支持部、７は導電体、８は支持部６に固定された端子板、９ａ、９ｂは端子板８に固定された端子、１０は端子９ａと端子９ｂを絶縁するための絶縁部、１１は圧電体５に設けられた溝である。
【０００４】
端子９ａ、９ｂから導電体７を介して、圧電体５に電圧が加わると、圧電体５は圧電現象により振動する。
【０００５】
図８は特にケース２の天部３に固定された整合層４を示し、１２はケース２の天部３と整合層４を接着固定するためのエポキシ系接着剤である。
【０００６】
図７の圧電体５は約５００ＫＨｚで振動し、その振動はケース２に伝わり、さらに図８に示すエポキシ系接着剤１２を介して整合層４に伝わる。整合層４の振動は気体に音波として伝搬する。
【０００７】
図９に整合層４の切削概略行程を示す。１３は必要大きさに側壁を切削研磨した整合部材である。この整合層４は、一般に必要寸法よりも大きい体積を有する整合部材１３をあらかじめ作成し、必要な寸法を考慮して整合部材１３の側壁を研磨した後、必要な厚みに切削して得たものである。
【０００８】
また、この整合層４は、中空状を有する微小中空球体とその微小中空球体を包囲する材料の混合物から構成される。
【０００９】
これらの整合層は、例えば特公平２５５９１４４号公報に、整合層内部に微少ガラス中空球体と複数の空隙（気孔）を有するようにガラス発泡体材料を用いる構造が公開されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の整合層４では、整合部材１３の側壁を研磨装置等により切削、研磨した後、必要な厚みに切削して整合層を得るために、側壁表面にガラス中空球体の割れの一部が露出する。これにより、整合層４の壁面は、微小な凹凸状を形成した多孔性を有する。
【００１１】
このようにして作成した整合層は、ケースの天部の外壁接着面にエポキシ系接着剤１２を介して固定される。
【００１２】
そして、エポキシ系接着剤１２を固化させるために加熱させると、エポキシ系接着剤１２が整合層４の側壁壁面に染みだして伝わり、ついには整合層４の天部にまで達する状態になる。
【００１３】
これは、整合層４の壁面微小な多孔性を有するために、毛細管現象によりエポキシ系接着剤が壁面を伝って上昇するからである。
【００１４】
また、整合層４は一般に中空球体が微小な中空ガラスとエポキシ系樹脂の混合体からなる。このとき、整合層４は微小中空ガラス間に気泡が残存すると、整合層の間を通過する振動のばらつきが大きくなり、整合層の振動による音波の伝搬強さのばらつきが大きくなり、気体流量測定時のノイズ原因になる。
【００１５】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、ケースと整合層の接着剤による加熱硬化の際の整合層壁面への接着剤の染みだしを防止することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記の従来の課題を解決するために本発明は、整合部材作成治具に充填された中空球体に結合材料を供給、含浸させる第１の工程と、前記第１の工程で得られた中空球体と結合材料との混合体を整合部材作成治具から取り出し、硬化させる第２の工程と、硬化した混合体の外周を切削・研磨加工する第３の工程と、超音波振動子を構成するケースに整合層を接着剤を介して固定する際にこの接着剤のせり上がりを防止すべく、前記第３の工程における切削・研磨加工後の混合体の外周を高分子材料で被覆するための第４の工程と、前記第１〜第４の工程により得られた整合部材を所定の厚みに切断して整合層とする第５の工程とからなるもので、整合部材から取りだされた整合層壁面の微小穴の露出を防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の整合層の製造方法は、整合部材作成治具に充填された中空球体に結合材料を供給、含浸させる第１の工程と、前記第１の工程で得られた中空球体と結合材料との混合体を整合部材作成治具から取り出し、硬化させる第２の工程と、硬化した混合体の外周を切削・研磨加工する第３の工程と、超音波振動子を構成するケースに整合層を接着剤を介して固定する際にこの接着剤のせり上がりを防止すべく、前記第３の工程における切削・研磨加工後の混合体の外周を高分子材料で被覆するための第４の工程と、前記第１〜第４の工程により得られた整合部材を所定の厚みに切断して整合層とする第５の工程からなることを特徴とする。
【００１８】
したがって、高分子材料で被覆したことにより、接着剤を加熱硬化させてケ−スの天部に整合層を固定させる際に、接着剤が加温により流動して整合層の側壁に染み出すことを防止することができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。
【００２０】
（実施例１）
図１はと図２は、本発明の第１実施例における整合部材と整合部材から作成される整合層の製造工程の概略図である。
【００２１】
図１において、整合部材作成治具１４の貫通孔１５内に、中空球体と結合材料の混合体を作成して、整合部材１６を製造する。
【００２２】
中空球体を構成する中空ガラス１７はそれぞれ１０から１００ｕｍの粒径を有し、平均粒径は約６０ｕｍである。
【００２３】
次に製造工程順に説明していく。まず整合部材作成治具１４の貫通孔１５の下部にフィルター１９を設置して中空ガラス１７を貫通孔１５内に投入し、貫通孔１５内を中空ガラスで満たす。
【００２４】
この際、貫通孔１５内に中空ガラス１７を均一に充填させるため、整合部材作成治具１４を加振装置上で振動させる。もちろん、貫通孔１５内に均一に中空ガラスが充填されるならこの方法に限るものではない。
【００２５】
次に、貫通孔１５の上にもフィルター１９を設置した後、エポキシ樹脂１８を吸引するための吸引口２０を設けた吸引ブロック２１を設置する。
【００２６】
貫通孔１５に中空ガラス１７を満たした整合部材作成治具１４をエポキシ樹脂１８で満たした容器２３内に設置する。
【００２７】
貫通孔１５の下側に設置したフィルター１９は貫通孔１５内の中空ガラス１７が漏れないようにするためであり、また、上側に設けたフィルター１９はエポキシ樹脂１８を吸引したとき、貫通孔１５内の中空ガラス１７をエポキシ樹脂１８と一緒に吸引しないようにするためである。ここでは、フィルター１９にろ紙を用いた。
【００２８】
なお、先に述べたフィルター１９の目的を達成せいていれば材質にはこだわらない。
【００２９】
そして、吸引ブロック２１の吸引口２０から真空ポンプ２２により容器２３内のエポキシ樹脂１８を吸引する。
【００３０】
これにより、整合部材作成治具１４の貫通孔１５に充填された中空ガラス１７がエポキシ樹脂１８で含浸させることとなる。
【００３１】
その結果、中空ガラス１７の周囲にエポキシ樹脂が塗布されて密着性が向上し、加えて、空隙層などの気泡がなくなる。
【００３２】
なお、エポキシ樹脂１８を吸引するときには、エポキシ樹脂１８が硬化しない温度で、且つエポキシ樹脂１８の粘度が低くなる温度で吸引する方が、樹脂の流動性が高くなるので貫通孔１５内にエポキシ樹脂を含浸しやすくなる。
【００３３】
使用したエポキシ樹脂１８の硬化条件は８０℃×２ｈ後、１２０℃×２ｈであるので、エポキシ樹脂１８を約６０℃中で吸引した。
【００３４】
このように中空ガラス１７が充填された貫通孔１５内にエポキシ樹脂１８を含浸させた後、吸引用ブロック２１を整合部材作成治具１４から取り外す。
【００３５】
次いで、貫通孔１５内に存在する中空ガラス１７とエポキシ樹脂１８の混合体である混合体２４を棒状治具等を用いて押し出す。
【００３６】
その後、取り出した混合体２４を加熱硬化させ、室温で冷却して整合部材１６を作成する。これを所定の断面積とすべく外周を切削・研磨加工する。
【００３７】
このため、整合部材１６の壁面は、結合材料であるエポキシ樹脂１８が削り取られている状態となる。
【００３８】
この状態での整合部材１６の壁面全体を、図２に示すように高分子材料であるエポキシ樹脂２８をスプレーガン装置２９を用いて均一に塗布し、８０℃中で３時間放置して加熱硬化させ、最後にこの整合部材１６を所定の厚みに切断して整合層２５を得る。
【００３９】
なお、エポキシ樹脂２８はスプレーガン２９によりに整合部材の壁面表面に塗布したが、エポキシ樹脂２８等の高分子材料が、表面均一に塗布形成できるのであれば、はけなどによると塗布加工でも、ディップなどによる塗布加工でもよく、加工方法にこだわるものではない。
【００４０】
また、高分子材料としてエポキシ樹脂２８を用いたが、整合部材壁面に均一に塗布できる高分子材料であればエポキシ樹脂に限らない。
【００４１】
しかし、結合材料の組成変形温度より高い温度で固化する高分子材料を用いると、整合部材の材料劣化を生じることが考えられ、整合部材の機械強度を損なうおそれがあるので、結合材料の組成変形温度以下の高分子材料で表面塗布をする必要がある。
【００４２】
前記整合部材作成治具１４は、貫通孔１５内壁を含めて撥水撥油処理として治具表面がテフロン加工されている。
【００４３】
整合部材作成治具１４から中空ガラス１７とエポキシ樹脂１８の混合体を取り出すときに、貫通孔１５の内壁がテフロン加工されているために、加圧したときに簡単に取り出しやすい。
【００４４】
貫通孔１５内壁が撥水撥油加工処理されていないと、貫通孔１５内壁にエポキシ樹脂１８が接着して混合体２４が崩れてしまい、整合部材に割れなどが発生する。
【００４５】
また、整合部材作成治具１４が撥水撥油加工処理されているため、付着したエポキシ樹脂１８の掃除、手入れが容易である。
【００４６】
そのため、整合部材１６の作成のために同じ整合部材作成治具１４を繰り返し使用できる。もちろん、吸引ブロックもテフロン加工されている。
【００４７】
なお、中空ガラス１７とエポキシ樹脂１８の混合体が取り出しやすい表面加工であるならば、テフロン加工に限るものではない。
【００４８】
作成された整合部材１６の断面形状は円形をしているが、円形形状にはこだわるものではない。
【００４９】
エポキシ樹脂１８は、低粘度のエポキシ樹脂を使用する。
【００５０】
具体的な粘度は３００〜１０００（ｍＰａ・ｓ）（ａｔ２５℃）である。通常エポキシ樹脂粘度は数万から数十万（ｍＰａ・ｓ）（ａｔ２５℃）である。
【００５１】
このように低粘度のエポキシ樹脂を使用するのは、エポキシ樹脂を真空吸引するために流動性が高く、中空ガラス１７の周囲にできるだけ薄く塗布できるので、中空ガラス１７同志の密着性向上に寄与する。
【００５２】
また、真空吸引時の作業性が向上する。粘度が約１０，０００（ｍＰａ・Ｓ）（ａｔ２５℃）のエポキシ樹脂と粘度が約７００（ｍＰａ・Ｓ）（ａｔ２５℃）のエポキシ樹脂をそれぞれ使用して、貫通孔１５の体積およびその中に充填する中空ガラス１７の量を同一にして、それぞれのエポキシ樹脂の真空ポンプ２２による吸引時間は、前記粘度のエポキシ樹脂で比較して、低粘度エポキシ樹脂の方が約１／３に短縮できる。
【００５３】
前記実施例１で作成した整合層２５をエポキシ接着剤１２でケース２の天部３に固定して加熱硬化させた場合と、比較例として図９に示すように従来の整合部材から側壁を切削研磨加工して取り出した整合部材１３から一定の厚みで切削することにより得た比較例整合層４を同様の条件下で加熱硬化させた場合において、ケース２と本実施例整合層２５およびケース２と比較例整合層４の接着状態を比較した。
【００５４】
通常、ケース２に整合層を接着固定する場合は、図３に示すようにケース２の内壁に圧電体３とケース２の天部３に整合層を共にエポキシ接着剤１２で接着固定する固定治具２６を用いる。
【００５５】
このとき、圧電体５と整合層間を一定加圧下で挟持して、エポキシ接着剤１２を加熱硬化させて固定する。
【００５６】
図３のような接着工程を行う場合、比較例整合層４を用いてケース２の天部３に接着する際、加熱硬化中にエポキシ接着剤１２が比較例整合層４の側壁をせり上がり、整合層とケース２を接着する側の固定治具２６に付着してそのまま固化してしまう。
【００５７】
その状態を図４（ａ）に示す。そのため、固定治具２６を離すとき比較例の場合は整合層４を破壊してしまうことがあった。
【００５８】
それに対して、本実施例の整合層２５を同様に接着した場合を図４（ｂ）に示す。
【００５９】
本実施例の整合層２５の場合は、側壁にエポキシ接着剤１２がせり上がることはない。そのため、固定治具２６と整合層２５が接着してしまうことがない。
【００６０】
これは、比較例整合層４は整合部材１３の側壁が研磨加工されているために、比較例整合層４の壁面表面のエポキシ樹脂１８が削られてなくなっているので、比較例整合層４の壁面表面には中空ガラス１７の割れや気泡があり、小さな孔が露出している。
【００６１】
そのため、天部３表面に比較例整合層４をエポキシ接着剤１２で加熱硬化させて接着固定させる際、加温されて流動性が高くなったエポキシ接着剤１２の一部が毛細管現象により比較例整合層４の壁面に沿って付着していくためである。
【００６２】
本実施例の整合部材１６から取り出す整合層２５は、同様にエポキシ接着剤１２を用いてケース２の天部３に接着してもエポキシ接着剤１２が整合層２５の壁面に付着していない。
【００６３】
これは、整合部材１６は側壁をエポキシ樹脂２８で塗布し、整合層２５の側壁表面の微小な孔がふさがれているために、エポキシ接着剤１２が整合層壁面をせり上がる現象はおきないのであり、固定治具２６と整合層２５が固着することはないのである。
【００６４】
（実施例２）
図５は、本発明の第２実施例における整合部材の製造工程の概略図である。
【００６５】
２１はエポキシ樹脂１８を吸引するための吸引用ブロックであり、２７は混合体２４をその貫通孔１５に備えた硬化用ブロックである。整合部材作成治具１４は吸引用ブロック２１と硬化用ブロック２７から構成される。
【００６６】
製造工程順に説明していくと、まず硬化用ブロック２７に混合体２４を設ける方法は実施例１で述べたのでここでは詳述しない。
【００６７】
次に、硬化用ブロック２７から吸引用ブロック２１を取り外す。そして、硬化用ブロック２７の貫通孔１５に混合体２４を備えたまま加熱硬化する。硬化条件は実施例１と同様である。
【００６８】
その後、混合体２４を棒状治具で押し出して整合部材１６を得る。
【００６９】
実施例１と同様に吸引用ブロック２１と硬化用ブロック２７はともに表面をテフロン加工している。そのため、実施例２で製造した整合部材１６を硬化ブロックから容易に取り出すことができる。
【００７０】
取り出した整合部材は実施例１と同じように、所定の形状、大きさになるようにその壁面が研磨される。
【００７１】
そして、壁面表面を高分子材料で塗布して塗幕を形成し、整合部材１６を得る。
【００７２】
整合部材１６を所定の厚みに切断して実施例１と同じく整合層２５を得る。
【００７３】
この整合層２５がケース２の天部３にエポキシ系接着剤１２を介して接着固定されるとき、整合層２５の側壁にエポキシ接着剤１２が接着面からせり上がることはない。
【００７４】
実施例２では硬化用ブロック２７の貫通孔１５を２箇所以上多数設けているので、整合部材１６が一度に多数個得ることができる。
【００７５】
また、吸引用ブロック２１と硬化用ブロック２７が分かれているために、硬化用ブロック２７を加熱硬化させている間に、同じ吸引用ブロック２１を用いて、別の硬化用ブロック２７で混合体２４を作成することができ、整合部材１６の生産性が向上する。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、接着剤を用いて超音波振動子を構成するケースと整合層を固定するときに、接着剤は側壁表面をせり上がって付着せずに、整合層とケース間の接着面積内に留まる。すなわち、前記整合層接着工程で、整合層固定治具に接着剤が付着することがないので、整合層の接着が容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における整合部材の製造工程を示す概略図
【図２】 本発明の実施例１における整合部材側壁への塗布加工を示す概略図
【図３】 整合層と圧電体のケースへの接着工程を示す概略図
【図４】 （ａ）比較例整合層とケースの接着状態を示す概略図
（ｂ）本発明の実施例整合層とケースの接着状態を示す概略図
【図５】 本発明の実施例２における吸引用ブロックと硬化用ブロックを示す構造図
【図６】 従来の超音波振動子の概略図
【図７】 同超音波振動子の断面図
【図８】 同整合層とケースの接着状態を示す断面図
【図９】 従来方法による整合部材の製造工程を示す概略図
【符号の説明】
２ ケース
１３ 整合部材
１４ 整合部材作成治具
１５ 貫通孔
１７ 中空ガラス（中空球体）
１８ エポキシ樹脂（結合材料）
２１ 吸引ブロック
２５ 整合層
２６ 固定治具
２７ 効果用ブロック
２８ エポキシ樹脂
２９ スプレーガン装置

Claims (1)

1. 整合部材作成治具に充填された中空球体に結合材料を供給、含浸させる第１の工程と、前記第１の工程で得られた中空球体と結合材料との混合体を整合部材作成治具から取り出し、硬化させる第２の工程と、硬化した混合体の外周を切削・研磨加工する第３の工程と、超音波振動子を構成するケースに整合層を接着剤を介して固定する際にこの接着剤のせり上がりを防止すべく、前記第３の工程における切削・研磨加工後の混合体の外周を高分子材料で被覆するための第４の工程と、前記第１〜第４の工程により得られた整合部材を所定の厚みに切断して整合層とする第５の工程からなる超音波振動子用整合層の製造方法。

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