JP4341541B2 - 超音波センサおよびそれを用いた流体の流れ測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波センサおよびこの超音波センサを利用した気体や液体の流体の流れ測定装置に関するものである。

従来、超音波流量計などに用いる超音波振動子は、図４に示すような構成を採用してい
た。外観図が公開されている（例えば、特許文献１参照）。

図４において、超音波振動子２１は、導電性をなす筒状のケース２２の頂壁内面に圧電体（図示せず）を、頂壁外面に整合層２３を接着剤で固定していた。である。整合層２３には圧電体の振動がケース２２を介して伝達され、その後、表面から超音波振動を発するものである。

気体中に超音波振動を効率良く発振する目的で整合層２３の音響インピーダンスは小さい方が望ましく、そのため、それ自体の比重を小さくすることが求められる。したがって、整合層２３は、無機材料である中空球体と、それらを一定形状内に納め、中空球体同士を結合させるための結合材料の混合物から構成されている。

従来の整合層２３は、初めに直径や形状が少し大きい長辺方向に長い円柱部材を作成して、その後、長辺方向の壁面を削り、所定の形状を有する整合層形状の大きさを取り出す。そして、円柱部材から所定厚みに切断して、整合層２３を得る。この整合層２３をケースの頂壁上面に接着剤を用いて接着固定する（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１１８５５０号公報（図４）

しかし、このような従来のものでは、ケースに接着される面以外の整合層表面ではガラス中空球体と結合材料の界面の隙間より水分が侵入し、その結果、整合層表面に存在するガラス中空球体の脱落が起こり、圧電体の振動により発せられた超音波がケースを介して整合層に伝達される際、効率よく測定媒体中に音波を発することができなくなることがあった。さらに水分の侵入が進むと、整合層の強度劣化が大きくなる。

このことから、整合層１枚１枚の表面に被覆材料を塗布することが考えられるが、あらためて塗布工程を設けなければならず、生産効率的が非常に低くなる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波センサに用いられる整合層をケースに接着する工程で整合層の表面が樹脂材料で被覆することにより、整合層への水分の侵入を防ぎ、整合層の長期的強度安定性と安定的な超音波発振特性を発揮させることを目的としたものである。

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は、筒状ケースと、前記筒状ケース頂壁内面に固定された圧電体と、前記筒状ケース頂壁外面に接着材料を介して設置された整合層とを具備し、前記整合層は中空球体と結合材料の混合物で構成するとともに、前記整合層を前記筒状ケース頂壁外面に接着する際に、前記接着材料が毛細管現象により前記整合層の表面に浸透して前記整合層の表面を被覆したものである。したがって、新たに塗布工程を設けずに、本来の接着工程で整合層表面を樹脂材料にて被覆することができる。これにより、整合層表面の中空球体と結合材料の界面や整合層表面の凹部から水分が侵入して強度劣化することとがなく、長期にわたり安定性に優れたものとなる。

本発明の超音波センサは、整合層表面が樹脂材料で被覆されるので、整合層表面の中空球体と結合材料の界面への水分の侵入がなく、強度安定性と超音波発振安定性に優れ、さらに、整合層とケースを接着する工程で、整合層表面を接着材料である熱硬化性樹脂材料を用いて被覆するところから、新たに整合層表面への樹脂材料の塗布工程を設ける必要がなく、接着工程でケース外壁面と整合層の接着と整合層表面への樹脂材料被覆を一度に実
施することができる。そして、この超音波センサを搭載した流体の流れ測定装置としても著しくその測定安定性を高めることができる。

第１の発明は、筒状ケースと、前記筒状ケース頂壁内面に固定された圧電体と、前記筒状ケース頂壁外面に接着材料を介して設置された整合層とを具備し、前記整合層は中空球体と結合材料の混合物で構成するとともに、前記整合層を前記筒状ケース頂壁外面に接着する際に、前記接着材料が毛細管現象により前記整合層の表面に浸透して前記整合層の表面を被覆したものである。

これにより、整合層表面に存在する中空球体と結合材料の界面部や、中空球体の割れ部分と、そして所定厚みに加工されるために発生する中空球体の脱落跡等に見られる表面凹部を平滑に樹脂材料が被覆する。その結果、整合層表面の中空球体と結合材料の界面部からの水分の侵入を防止してその表面保護に寄与し、強度劣化を防ぐことができる。また、整合層の表面が樹脂で平滑に被覆されるので圧電体からの振動による超音波発振を効率よく測定媒体に伝達することができる。

第２の発明は、接着材料がその加熱硬化中に整合層表面に被覆するようにしたので、筒状ケースと整合層との接着、および接着材料による整合層表面の被覆が一度の加熱硬化処理で実現することができ、新たに整合層表面を被覆する工程を設ける必要がない。

第３の発明は、中空球体がガラス組成を含むことにより、中空状態を保持したまま結合材料との混合による整合部材を作成することができるので、整合層周囲温度が変化しても整合層内の中空球体の中空状態は保持され、整合層密度の安定化に寄与する。

第４の発明は、結合材料および接着材料が熱硬化性樹脂化合物であることにより、結合材料は中空球体と混合しやすく、且つ、混合後加熱により結合材料の樹脂が硬化するので、中空球体表面に密着して硬化されて整合部材を作成することができる。さらに、接着材料も熱硬化性樹脂化合物であるので、筒状ケース天部と整合層をこの接着材料で接着する際に整合層表面に馴染みやすく被覆することが可能である。

第５の発明は、特に第１の発明の超音波センサを流体の流れ方向に少なくとも一対配置し、前記超音波センサ間の超音波伝搬時間にもとづき流体の速度およびまたは流量を検知するようにした流体の流れ測定装置とすることにより、流体の速度およびまたは流量を瞬時に測定することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施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）
図１は、第１の実施の形態における超音波センサにおける整合層を筒状ケースに接着剤を用いて貼り付ける際の概略工程を示すものである。

整合層１を筒状ケース２に接着剤３を用いて貼り付ける際には、まず、整合層１の筒状ケース２に貼り付ける表面に接着剤３を塗布し、また、前記整合層１を貼り付ける筒状ケース２表面にも接着剤３を塗布しておく。その後、整合層１と筒状ケース２を貼り付け、接着剤３を加熱硬化させることで、整合層１を筒状ケース２表面に接着固定する。

整合層１は中空球体と結合材料を混合した混合物を加熱硬化して固めている。そして、その原形としては、長辺方向に長い円柱部材を最初に作成する。このとき円柱状整合層部
材の直径は所定直径よりも大きく作成する。

その後、円柱状整合層部材の壁面表面を削り、所定の直径とし、次いで、ダイシング装置などの切断装置で、円柱部材を所定厚みに切断して所定の整合層１とする。

これに限らず、はじめに所定の整合層直径を有した円柱状整合層部材を作成しても差し支えない。また、整合層１の形状は円形を有しているが、形状はこの形に限定されるものではない。

整合層１の作成方法として、前記以外に、例えば、中空球体と結合材料の混合物が所定厚みを有するシート状整合層部材を作成し、これから所定直径のものを抜き取り、この抜き取った混合物を加熱硬化して、整合層１を製造することも可能である。

切断装置で所定厚みに切断して得た整合層１の全表面は、中空球体の割れ部分があり凹凸部を有している。

ここで用いた充填剤としての中空球体は、ガラス組成からなり１０〜１００ｕｍの粒径を有し、平均粒径は約６０ｕｍである。真密度は約０．１４から０．１８ｇ／ｃｍ３である。ガラス中空体からなる中空球体は他の充填剤と比較して比重が軽く、耐熱性、耐衝撃性を有し、充填材として使用したときの充填物の寸法安定性、成型性などの物性を改良できる。

使用したガラスの組成はホウケイ酸系ガラスである。このガラス中空体は、酸化珪素、硼酸、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム等の原料を１０００℃以上の高温で溶融して硫黄分を多含するガラスを形成させた後、ガラスを粉砕後、このガラス微粉末を火炎中に分散、滞留させることにより、硫黄分を発泡剤成分として発泡させて作成している。また、結合材料としては熱硬化性樹脂化合物であるエポキシ樹脂を用いた。

エポキシ樹脂は硬化後の樹脂の形状変化が小さく、長期安定性に優れているためであり、何より、中空球体９表面との親和性が高いので、同中空球体と結合力が安定的に向上する。使用したエポキシ樹脂は、２液硬化型のエポキシ樹脂である。主剤はビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂であり、硬化剤は、テトラヒドロメチル無水フタル酸である。主剤と硬化剤を最適混合比率で混合してエポキシ樹脂として用いた。比重は約１．０〜１．２ｇ／ｃｍ３である。

しかし、ここでは特に２液硬化型のエポキシ樹脂にこだわるものではなく、目的が達せられれば１液硬化型のエポキシ樹脂を用いても差し支えない。結合材料としてエポキシ樹脂を使用した場合、今回のエポキシ樹脂の硬化条件として、室温から昇温させて８０℃×２ｈ後、１２０℃×２ｈを経て１５０℃×１ｈの硬化工程を実施して、ガラス中空球体とエポキシ樹脂の混合物を固化させた。

このようにして、作成した整合層１の表面にスクリーン印刷機を用いて、整合層接着表面に接着剤３を印刷塗布した。さらに、筒状ケース２の頂壁外面にも同様にスクリーン印刷機を用いて接着剤３を印刷塗布した。

このとき用いた接着剤３は、１液性のエポキシ接着剤である。整合層１の結合材料で用いたようにエポキシ樹脂を使用したのは、硬化後の樹脂の形状変化が小さく、長期安定性に優れているためであり、加熱硬化前には、一定の低粘度を有しているので、接着面形状に沿って塗布しやすい長所を持っているからである。

筒状ケース２は、ステンレス系材料ＳＵＳ３０４を用いた。形状安定性が高いことと、測定雰囲気ガス中から圧電素子への接触を保護し、圧電素子の耐久性を向上させるためである。また、金属材料で構成されているため、接着材料３が筒状ケース２への浸透がなく平滑な表面で、接着剤３が加熱硬化する際の接着剤３の移動を助ける効果がある。

図１（ａ）のように、筒状ケース２の頂壁外面に接着剤３を塗布し、接着面に接着剤３を印刷塗布した整合層１を図１（ｂ）のように接着し、図１（ｃ）のように接着剤３を介して整合層１を搭載した筒状ケース２を構成させる。

図１のように整合層１と筒状ケース２を接着させた後、図２に示すように、接着剤３を加熱硬化させる時に整合層１を一定加重で押さえながら固定する押さえ具４を用いる。
押さえ治具４は耐熱温度が高いテフロン（登録商標）樹脂材料を用いて成型した。

筒状ケース２の頂壁外面に接着剤３を介して整合層１を搭載し、さらに押さえ具４で整合層を固定した状態で、加熱硬化漕内に納め、接着剤３を加熱硬化させる。

加熱温度、時間条件は、エポキシ樹脂材料の種類により設定が異なるが、この場合、室温から１５０℃、１時間で加熱硬化させた。このときの押さえ加重は約７Ｇであった。

整合層１を一定加重で押さえ治具４により、筒状ケース２に接着剤３を用いて加熱させながら、接着剤３を加熱硬化させると、接着剤３が整合層１の壁面を伝い、さらに押さえ治具４と整合層１壁面界面にも浸透し、その結果、加熱工程終了時には、図２（ｂ）のように整合層１表面に接着剤３が被覆される。これは、接着剤３が加熱硬化工程において、硬化剤として用いているエポキシ樹脂材料が硬化温度になる直前に低粘度化するためである。

整合層１の表面は、ガラス中空球体の割れた部分や、ガラス中空球体と結合材料であるエポキシ樹脂の界面の隙間など、極ちいさな凹凸部がある。

そこに、低粘度のエポキシ樹脂材料が進入するために、毛細管現象により整合層１表面にエポキシ樹脂材料が薄く浸透し、被覆することになる。

このことにより、整合層１の表面の凹凸部分を接着剤３で被覆することができるので、切削等でできた表面ガラス中空体の割れや、ガラス中空体と結合材料の界面部を被覆して、表面の凹凸、傷を、保護することができる。

さらに接着工程で、整合層１表面を樹脂で被覆することができ、新しく表面の塗布工程を設ける必要がない。

また、ここでは、筒状ケース２上に接着する整合層１のみしか記述していないが、整合層１表面への接着材料被覆への影響は何もないので、接着剤を用いたこの筒状ケース２の頂壁外面への整合層１の接着工程と、頂壁内面への接着剤を用いた圧電素子の接着固定工程を同時におこなっても差し支えない。

（実施の形態２）
図３は、上記実施の形態１により得た整合層１を使用した超音波センサを示し、導電性材料製の筒状のケース２の頂壁外面には整合層１が、頂壁内面には圧電体５がそれぞれ接着されている。

筒状ケース２の下方開放部は一方の端子６ａを接続した端子板７で閉塞されている。他
方の端子６ｂは電気絶縁材料８を介して端子板７を貫通し、圧電体５の下面に接触する導電体９に接続されている。圧電体５には複数の縦溝１０が形成してある。

端子６ｂから導電体９を介して圧電体５に電圧が加わると、この圧電体５は圧電現象により振動する。

図３の圧電体５は約５００ＫＨｚで振動し、その振動は筒状ケース２から整合層１に伝わり、その整合層１の振動が気体に音波として伝搬する。

ここで、接着材料３により被覆された整合層１は、ガス等の被測定流体には直接接触することがない。

そのために、整合層１表面に存在するガラス中空球体と結合材料であるエポキシ樹脂の界面の割れなどの損傷部分が接着材料３で保護されているために、流体測定装置に用いられる超音波センサの整合層として飛躍的に耐久性を向上させることができる。

そして、前記超音波センサは、流体の流れ測定装置に用いられる。すなわち、流路の流体流れ方向上流側と下流側に少なくとも一対の超音波センサを配置し、一方の超音波センサから送信された超音波が他方の超音波センサに受信されるまでの時間、すなわち超音波伝搬時間を検知して、それから流体の流速およびまたは流量を測定することができる。

実際には、流速に基づき流路の断面積などの要素を絡めて流量の演算することとなる。そして、先述したように、超音波センサが高性能であるために、流速およびまたは流量の計測が高精度に行えるものである。

以上のように、本発明にかかる超音波センサの製造方法およびこの超音波センサを用いた流体の流れ測定装置は、整合層の表面が接着剤の樹脂材料で被覆されているために、ガラス中空球体と結合材料であるエポキシ樹脂との混合物からなる整合層の表面保護を果たし、ガス流体中の耐久性向上に大きく貢献する。さらに、整合層表面への樹脂被覆は、整合層の筒状ケースへの接着工程と同時に実施されるために、別に整合層表面への樹脂被覆工程を設ける必要がなく、効率的に整合層表面への被覆を実現することができ、製造効率向上に大きく寄与する。

さらに、この整合層を用いた超音波センサの性能を向上し、さらには、この超音波センサを搭載した流体の流れ測定装置としても著しくその精度を高めることが可能となるので、気体や液体の流体流れ測定装置等の用途に適用できる。

（ａ）は本発明の実施の形態１における筒状ケース外壁天部表面に接着剤を塗布した概略図、（ｂ）は整合層と筒状ケースの頂壁外面に積載する様子を示した概略図、（ｃ）は整合層を筒状ケースの頂壁外面に積載した概略図 （ａ）は押さえ治具により整合層を加圧して接着剤を介して筒状ケース外壁天部表面に接着する超音波センサの断面図（ｂ）は接着剤の加熱硬化後、整合層表面に接着剤が被覆された断面図超音波センサの断面図 本発明の実施の形態２における超音波センサの断面図 従来の超音波センサの斜視図

１ 整合層
２ 筒状ケース
３ 接着剤
５ 圧電体

Claims (5)

1. 筒状ケースと、前記筒状ケース頂壁内面に固定された圧電体と、前記筒状ケース頂壁外面に接着材料を介して設置された整合層とを具備し、前記整合層は中空球体と結合材料の混合物で構成するとともに、前記整合層を前記筒状ケース頂壁外面に接着する際に、前記接着材料が毛細管現象により前記整合層の表面に浸透して前記整合層の表面を被覆した超音波センサ。
2. 接着材料は加熱硬化中に整合層表面に被覆するようにした請求項１記載の超音波センサ。
3. 中空球体がガラス組成を含む請求項１記載の超音波センサ。
4. 結合材料および接着材料は熱硬化性樹脂化合物である請求項１記載の超音波センサ。
5. 請求項１〜４にいずれか１項記載の超音波センサを流体の流れ方向に少なくとも一対配置し、前記超音波センサ間の超音波伝搬時間にもとづき流体の速度およびまたは流量を測定するようにした流体の流れ測定装置。

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