JP4449291B2 - 整合部材の製造方法 - 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層の製造方法およびそれを用いた超音波センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の整合層３０の製造方法は例えば、図６（ａ）に示すように中空球体２７と樹脂２８の混合物からなる整合層と筒状部材２９からなる負荷ケースが一体成形されている。そして、図７（ｂ）のように圧電体の共振周波数の１／４波長に相当する厚みにカットする。そして以上のように作成した整合層３０を用いて、図７（ｃ）に示すように、整合層３０を圧電振動子３１に載置して、超音波振動子の形成方法が公開されている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、ガラスバルーンと樹脂の混合体による整合層については、圧電体からの発生する超音波の波長よりも小さい粒径の気泡を樹脂に混入する整合部材が示されているものもある（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特公平６−１０１８８０号公報（第６図）
【０００５】
【特許文献２】
特開平１１−２１５５９４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来の製造方法を用いた整合層は、筒状部材に中空球体と結合材料を投入して中空球体と結合材料の混合物である整合部材を作成して所定の厚みに切断、研磨等の加工をした場合、整合部材の切断表面に中空球体の切断による凹部が発生する。そして、前記方法で作成した整合部材の表面に接着剤を印刷により塗布して接着層を形成して、前記整合部材表面が圧電素子面表面、あるいは内部壁面に圧電素子を接着した金属ケース天板表面に接着される際、前記整合部材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素子から発振される振動が、整合層接着界面の気泡存在のために整合部材表面と圧電素子表面あるいは金属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。
【０００７】
また、前記のように負荷ケースを含む整合部材上での課題だけでなく、負荷ケースのない筒状整合部材では、整合部材作成後、整合部材の外周表面で結合材料部の欠落があり、設計通りの外径寸法が出ないという課題があり、この課題に対しあらかじめ外径寸法を大きくして整合部材を作成して、外周を削って設計通りの外径寸法を形成し、この整合部材を圧電体の共振周波数の１／４波長に相当する厚みに切断した整合層を作成して対策しても、整合部材周囲を切削して整合層直径を出しているので整合増外壁表面は中空球体の切断断面である凹部が露出するので、この整合層表面と圧電素子表面、あるいは圧電素子を内包した金属ケース表面間を圧着接着すると、整合層表面の凹部による毛細管現象により整合層外壁表面に接着剤がせり上がりながら付着し、整合層表面に固着してしまうという課題が発生する。
【０００８】
また、超音波の波長よりも小さい粒径の気泡を樹脂に混入することは、非常に困難であり、混入する気泡の大きさを制御することができない。また樹脂中に気泡を混入することで作成された整合層の密度は作成数ごとに異なり、一定の音響インピーダンスを得ることができない。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、整合層表面に付着物がなく高い接着強度を有し且つ、接着工程の際、整合層外壁周囲や整合層表面に接着剤が付着しない整合層およびその製造方法とその整合層を用いた超音波センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために本発明の整合層の製造方法は、振動が加えられている整合部材作成治具の貫通孔に中空球体を充填した後、結合材料を含浸、硬化させることで側壁表面が前記結合材料で被覆された整合部材を作成し、次いで、前記整合部材を切断工程により切削して、しかる後、前記整合部材の側壁表面を除く表面部分に高分子材料を被覆するようにした製造方法において、前記高分子材料と前記結合材料とは同材料に設定したものである。
このことにより（中空球体が高密度に充填されていることにより）密度の低い整合層全表面は高分子材料で覆われるため、整合層とケース表面との接着界面は高分子材料を介して密着する。このため、界面の接着強度向上と、接着界面に整合層凹部が存在しないので、送受信される超音波を効率よく送受信することができるので、超音波センサとしての感度が向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、振動が加えられている整合部材作成治具の貫通孔に中空球体を充填した後、結合材料を含浸、硬化させることで側壁表面が前記結合材料で被覆された整合部材を作成し、次いで、前記整合部材を切断工程により切削して、しかる後、前記整合部材の側壁表面を除く表面部分に高分子材料を被覆するようにした製造方法において、前記高分子材料と前記結合材料とは同材料に設定したものである。
【００１２】
【実施例】
以下、本説明の実施例について図表を用いて説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１は、本発明の第１実施例における整合部材の製造工程の概略図である。
【００１４】
図１において、１は整合層作成治具である。２は、整合層作成治具１に設けられた貫通孔である。整合部材作成治具１の貫通孔２内に中空球体と結合材料の混合体を作成して、本発明整合部材１２を作成する。３は中空構造を有するガラス中空体である。ガラス中空体３はそれぞれ１０〜１００μｍの粒径を有し、平均粒径は約６０μｍである。ガラス中空体は他の充填剤と比較して、比重が軽く、耐熱性、耐圧性、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。
【００１５】
図１に示すように貫通孔２内に、ガラス中空体３を投入する。このとき図２に示すように、整合層作成治具１を加振装置１１に設置した上で、整合層作成治具１全体を振動させながらガラス中空体３を投入する。加振装置は縦振動で、周波数６０Ｈｚで、４Ｇである。この作業工程の整合層作成治具１を加振させることにより、整合層作成治具１の貫通孔２内に投入されるガラス中空体３間の空隙を埋めるような状態で貫通孔２内に収まっていく。これは、ガラス中空体３の外部壁面が表面改質材の被覆層を形成しているので、ガラス中空体３の流動性が高いために、ガラス中空体３間の壁面が接触しても滞留することなくガラス中空体３が動いて貫通孔２内で最密充填状態になるためである。そのため、ガラス中空体３同志間では、最小の空隙しか存在していない。このようにガラス中空体３を充填した整合層治具１は、貫通孔２上下にフィルター４を設置した後、整合部材作成治具１上に貫通孔２内に結合材料を含浸させる。ここで、結合材料として熱硬化性樹脂化合物であるエポキシ樹脂を用いた。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、ガラス中空体３表面との親和性が高いため、ガラス中空体３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。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。
【００１６】
エポキシ樹脂７を含浸させるためにエポキシ樹脂７を吸引するための吸引口５を設けた吸引ブロック９を設置する。貫通孔２にガラス中空体３を満たした整合部材作成治具１をエポキシ樹脂７で満たした容器６内に設置する。フィルター４は、貫通孔２の下側に設置するフィルター４は貫通孔２内のガラス中空体が漏れないためである。貫通孔２の上側に設けるフィルター４は、エポキシ樹脂７を吸引したとき、貫通孔２内のガラス中空体３をエポキシ樹脂７と一緒に吸引しないためである。ここでは、フィルター４にろ紙を用いた。なお、先に述べたフィルター４の目的を達成していれば材質にはこだわらない。
【００１７】
そして、図１に示すように吸引ブロック９の吸引口８から真空ポンプ１０により容器６内のエポキシ樹脂７を吸引する。整合部材作成治具１内のガラス中空体３で満たされた貫通孔２にエポキシ樹脂７を含浸させる。真空ポンプによる整合層作成治具１内を低圧雰囲気下にすることにより、ガラス中空体３間に存在した空隙の気泡が抜け去り代わってエポキシ樹脂７がその間を埋めていく。これにより、貫通孔２内のガラス中空体３同志の密着性が向上し、ガラス中空体３周囲にエポキシ樹脂が塗布される。なお、エポキシ樹脂７を吸引するときには、エポキシ樹脂７が硬化しない温度で、且つエポキシ樹脂７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２内にエポキシ樹脂を含浸しやすくなる。使用したエポキシ樹脂７の硬化条件は８０℃×２ｈ後、１５０℃×２ｈであるので、エポキシ樹脂７のゲル化温度より低い温度の約６０℃中で吸引した。このようにガラス中空体３が充填された貫通孔２内にエポキシ樹脂７を含浸させた後、吸引用ブロック９を整合部材作成治具１から取り外す。そして整合部材作成治具１から、貫通孔２内に存在するガラス中空体３とエポキシ樹脂７の混合体である混合体８を棒状治具を用いて押し出す。取り出した混合体８を加熱硬化させ、室温に冷却して作成して、本発明整合部材１２を得る。
【００１８】
また、整合層作成工程においては、図３に示すようにエポキシ樹脂吸引用ブロック１４とエポキシ樹脂硬化用ブロック１５に分けて整合部材１２を作成しても差し支えない。この場合、貫通孔内でガラス中空体とエポキシ樹脂を混合したあと、エポキシ樹脂吸引用ブロック１４を取りはずして、エポキシ樹脂硬化用ブロック１５を取り出し、エポキシ樹脂硬化用ブロック１５ごと硬化後、貫通孔から整合部材を取りだすことも可能である。図１に示す貫通孔２は１個しか存在しないが、図３に示すようにエポキシ樹脂硬化用ブロック１５に多数個の貫通孔２を設けておけば、一度に多数個の整合部材１２を取り出すことができる。この整合部材１２をダイシング装置により所定厚みに切断する。以上のように成型した整合部材は側壁が結合材料により被覆されているので、整合層径に合致した貫通孔を設ければ、新たに整合部材１２の側壁表面に高分子材料を塗布する必要がない。
【００１９】
この整合部材１２を、圧電体の共振周波数の１／４波長に相当する厚みに切断して整合層１３を得る。整合部材１２を切断する工程では、切断後の整合層１３の接着表面に切断時に発生する研削ゴミが付着しないようにしなければならない。この研削ゴミは、エポキシ樹脂硬化物やガラス中空体の微少割れなどの単体あるいは混合物である。これらのゴミが付着している状態では整合層表面に平滑な高分子材料の被覆層が形成できないので、ゴミが付着した場合は取り除かなくてはならない。この切断工程には、ダイシング装置により整合部材１２を切断して整合層１３を得た。ダイシング時に切断表面に研削水を流すため、切断時に発生する研削ゴミが切断整合層表面から流され付着することはない。この整合層１３表面に高分子材料を印刷して熱硬化させて整合層１３表面に被覆層を形成する。ここで高分子材料には、結合材料に用いた同様のエポキシ樹脂材料を用いた。整合部材１２の側面には整合部材の構成材料である結合材料としてエポキシ樹脂が被覆されているため、整合層１３表面に同等のエポキシ樹脂層を形成しても整合層側壁面となじみやすい。
【００２０】
このようにして作成した整合層１３表面は、整合層表面の露出したガラス球体の割れ内部にエポキシ樹脂が満たされるので、整合層表面は均一に平滑性を有する。このため、整合層表面に接着層を設けて圧電素子や後述する金属ケースを介して整合層と接着させると界面に均一に接着層が設けられるので、接着界面強度を一定にすることができる。
【００２１】
また、従来の整合層表面はガラス球体の割れによる微少な凹部分が露出しているので圧電素子から伝搬する振動波の位相が、測定流体と整合層界面でばらつきが生じ、超音波センサとして感度低下の原因になる。本発明の整合層１３を用いた超音波センサは、測定流体中に接する整合層表面が平滑なので圧電素子からの振動波の位相が整合層界面で合うようになり、超音波センサの感度が向上する。
【００２２】
（実施例２）
図４に、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。
【００２３】
図４（ａ）の整合部材１２は、径を必要所定な径よりも大きく作成し、その後側面を必要所定径になるように研磨する。このあと、図４（ｂ）に示すように整合部材１２側壁表面にエポキシ樹脂７などの高分子材料をスプレーガンなどの噴霧装置１６を用いて塗布して被覆層を形成する。その後、整合部材１２を圧電体の共振周波数の１／４波長に相当する所定厚みになるように切断する。この後の整合層表面の高分子材料の被覆層形成工程は第１実施例に示した方法と同じようにして、整合層１３を得る。以上のような整合層１３の作成方法を用いても第１実施例と同じ効果を得ることができる。
【００２４】
（実施例３）
図５は、本発明の第３の実施例における超音波センサの断面図である。
【００２５】
１７は超音波センサ、１８はケース、１９はケースの天部、１３は天部に固定された本発明の製造方法で作成された整合層である。
【００２６】
２０はケース１８の天部１９の内壁面に配置された圧電体であり、２１はケース１８を固定するための支持部である。２２は導電体、２３は支持部２１に固定された端子板、２４ａ、２４ｂは端子板２３に固定された端子、２５は端子２４ａと端子２４ｂを絶縁するための絶縁部である。２６は圧電体２０に設けられた溝である。端子２４ａ、２４ｂから導電体２２を介して、圧電体２０に電圧が加わると、圧電体２０は圧電現象により振動する。図５の圧電体は、約５００ＫＨｚで振動し、その振動はケース１８に伝わり、整合層１３に伝わる。整合層１３の振動が気体に音波として伝搬する。従来による製造方法で作成した整合層は、ケース１８の天部１９に接着される際、整合層表面にガラス中空体の割れ部分が露出するために、整合層表面に凹部が形成され、ケース１８の天部１９に接着剤を用いて接着する際、整合層あるいはケース天部表面に熱硬化性接着剤を印刷等により塗布形成して、整合層とケース天部を加熱硬化接着させても整合層表面凹部に接着剤が滞留し、整合層表面とケース天部表面が均一強度で接着することができなかった。また、整合層表面とケース天部表面の接着界面に微少な空気層が形成されるため、圧電体２０からケース１８を介して伝搬される振動の波長の位相が整合層内部でずれるので、測定流体中での振動波の強め合いが弱まり、超音波センサとしての送受信感度が低下してしまう。これに対し、本発明の整合層１３は、表面に高分子材料を被覆形成されているので、ケース１８の天部１９表面に均一に面接着されて接着強度が均一化され、整合層表面の凹部がなくなるため、圧電体２０からの振動波が整合層１３内で位相をずらせることがないので、測定流体中に振動波を安定的に発振させることができる。これにより、超音波センサの送受信感度を低下させることなく維持することができる。
【００２７】
以上のように、本発明によれば、整合層凹部分が高分子材料により塞がれることになる。これにより、整合層と接着する部品を接着剤を介して接着しても、整合層接着界面が凹凸を含むことなく均一に接着されるので、圧電体からの振動を減衰することなく整合層に伝えることができる。
【００２８】
本発明によれば、整合部材の全ての表面は、前記整合部材作成後に結合材料を含む高分子材料により被覆形成されるので整合部材を必要所定寸法に切削、研磨加工後高分子材料により被覆することができる。また、高分子材料は整合層表面の露出しているガラスバルーン凹部に安定的に埋められることになり、凹部形状を解消することができる。
【００２９】
本発明によれば、整合部材を必要所定寸法に加工した際、整合部材から発生する整合部材構成材料である中空球体や結合材料、あるいはそれらの混合物が整合層表面に付着する。整合層表面からこの付着物を取り除いた後に高分子材料を被覆するので、整合層接着表面は付着異物による凹凸部がなくなり整合層接着界面を平滑に維持することができる。
【００３０】
本発明によれば、整合層表面に露出する中空球体の欠け部分である凹部が高分子材料で埋められるため、整合層表面の接着界面は平滑になる。
【００３１】
本発明によれば、高分子材料で側壁表面を被覆加工した整合部材をダイシング装置に固定して切断加工し、後に作成した整合層の切断表面に高分子材料を被覆する製造方法が実施できる。また別の製造方法で、あらかじめ整合部材の側壁の外周表面を研削して外径寸法を精度良く加工した後で、高分子材料で側壁表面を被覆することができる。そして、この側壁表面被覆加工後、整合部材を所定厚みに切断加工し、整合部材切断表面の両面に高分子材料で被覆するので、整合部材表面の凹凸部の凹部に高分子材料が埋まって整合層表面が平滑になり、圧電素子またはケース天部表面に接着する整合部材界面の接着層が均一に形成され、接着面での接着強度が均一になる。接着面と反対側の整合部材表面もまた高分子材料で均一平面状に被覆されているので、整合層から発せられる超音波の指向性が向上し、超音波センサとしての感度が向上する。これにより、製造方法の範囲を広げることもでき、超音波センサの感度特性も安定する。
【００３２】
本発明によれば、熱硬化性樹脂化合物は中空球体表面界面とのぬれ性がよく中空球体表面に密着する。そして、結合材料は低温硬化および高温硬化工程を経て熱硬化されるので、結合材料は自身の自己発熱により整合部材の強度劣化や変色を起こすことはない。また、空球体はガラス組成を含む組成成分からなるので、中空状態を維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、整合部材周囲温度が変化しても中空球体の中空状態は保持され、整合層密度の安定化を図ることができる。
【００３３】
本発明によれば、高分子材料で整合層周囲を被覆加工されているので、接着剤を介してケース天部表面に接着した際、整合層表面が凹凸のない平滑であるために、接着界面に接着層が均一に形成され、整合層とケース天部表面での接着強度分布は一定となる。さらに、整合層接着表面と反対側の整合層表面は均一な高分子材料被覆層を形成しているために、整合層表面には凹凸部分がないので、ケースを介して圧電体の振動を受けた整合層は指向性よく音波を伝搬させることができ、超音波センサとしての感度を向上させることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、中空球体と結合材料の混合物からなる整合層全表面の凹部に高分子材料を塗布し、平滑性を実現し接着強度均一化と超音波センサ感度向上を図ることができる。
【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】 加振装置に設置した整合部材作成治具を示す概略図
【図３】 （ａ）吸引用ブロックを示す構造図
（ｂ）硬化用ブロックを示す構造図
【図４】 （ａ）本発明の実施例２における整合部材の製造工程を示す概略図
（ｂ）整合部材側壁表面に高分子材料を塗布する工程を示す概略図
【図５】 本発明整合層を用いた超音波センサの断面図
【図６】 （ａ）従来の整合層と筒状部材からなる負荷ケースの一体成型を示す断面図
（ｂ）負荷ケースのカット後を示す断面図
（ｃ）従来の整合層と圧電素子を接着した状態を示す断面図
【符号の説明】
１ 整合部材作成治具
３ ガラス中空体
９ エポキシ樹脂吸引用ブロック
１１ 加振装置
１２ 整合部材
１３ 整合層
１４ 樹脂吸引用ブロック
１５ 樹脂硬化用ブロック
１７ 超音波センサ

Claims (1)

1. 振動が加えられている整合部材作成治具の貫通孔に中空球体を充填した後、結合材料を含浸、硬化させることで側壁表面が前記結合材料で被覆された整合部材を作成し、次いで、前記整合部材を切断工程により切削して、しかる後、前記整合部材の側壁表面を除く表面部分に高分子材料を被覆するようにした製造方法において、前記高分子材料と前記結合材料とは同材料に設定したことを特徴とする整合部材の製造方法。

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