JP4509458B2

JP4509458B2 - 超音波振動子及びそれを用いた超音波流量計

Info

Publication number: JP4509458B2
Application number: JP2002073611A
Authority: JP
Inventors: 真人佐藤; 明久足立; 庸介入江
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2022-03-18
Also published as: JP2003270013A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動子、及びこれにより気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の超音波流量計に用いる超音波振動子としては、図７に示す。例えば特開平４−３０９８１７号公報のようなものが知られており、圧電セラミック１を金属振動板２にロー材３でロー付けしてある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では圧電セラミック１が金属振動板２にロー付けされてい
るため、熱負荷の繰り返し試験（以下熱衝撃試験という）を行うと、金属振動板２と圧電セラミック１の熱膨張係数が異なるため、金属振動板２と圧電セラミック１の接着部が破損するという課題を有していた。
【０００４】
本発明では上記課題を解決するもので、熱衝撃試験に耐えうる接着が可能で、信頼性に優れた超音波振動子、及びそれを用いた超音波流量計の実現を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波振動子は、上記課題を解決するために、天部と側壁部を有する有天ケースと、前記天部の内壁面に接着剤で固定された圧電体とを備え、前記接着剤は、材質、硬化時の硬さ、硬化時の内部応力、ガラス転移点、及び接着強度を以下の（１）〜（５）の通り設定し、熱衝撃印加時における前記有天ケースと前記圧電体との熱膨張係数の違いによる剥離現象を前記接着剤で緩和させるようにしたものである。
【０００６】
（１）材質＝エポキシ樹脂
（２）硬化時の硬さ＝鉛筆硬度評価方法においてＨＢから２Ｂ。
【０００７】
（３）硬化時の内部応力＝ポリイミドを用いた所定のひずみ評価方法において１０％以下。
【０００８】
（４）ガラス転移点＝５０℃から９０℃以内。
【０００９】
（５）接着強度＝１０Ｎ／ｍｍ２以上。
【００１０】
上記発明によれば、熱衝撃試験によるケースと圧電体の熱膨張係数の違いを接着剤が伸びることにより緩和するので、ケースと圧電体の接続を破損することを妨げることができるもので、この結果屋外で使用する環境下においても長期間にわたりケースと圧電体の接続を破損することが防止できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波振動子は、上記課題を解決するために、天部と側壁部を有する有天ケースと、前記天部の内壁面に接着剤で固定された圧電体とを備え、前記接着剤は、材質、硬化時の硬さ、硬化時の内部応力、ガラス転移点、及び接着強度を以下の（１）〜（５）の通り設定し、熱衝撃印加時における前記有天ケースと前記圧電体との熱膨張係数の違いによる剥離現象を前記接着剤で緩和させるようにしたものである。
【００１２】
（１）材質＝エポキシ樹脂
（２）硬化時の硬さ＝鉛筆硬度評価方法においてＨＢから２Ｂ。
【００１３】
（３）硬化時の内部応力＝ポリイミドを用いた所定のひずみ評価方法において１０％以下。
【００１４】
（４）ガラス転移点＝５０℃から９０℃以内。
【００１５】
（５）接着強度＝１０Ｎ／ｍｍ２以上。
【００１６】
したがって、熱衝撃試験によるケースと圧電体の熱膨張係数の違いを接着剤が伸びることにより緩和するので、ケースと圧電体の接続を破損することを妨げることができる。
【００１７】
そして、このような１対の超音波振動子を被測定流体が流れる流量測定部の上、下流に
配置し、これら超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測回路で計測して、この計測回路からの信号に基づいて流量演算手段で流量を算出するようにして超音波流量計とした。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお図面中で同一符号を付しているものは同一なものであり、詳細な説明は省略する。
【００１９】
図１は本発明の超音波振動子の断面図である。図２は本発明における接着剤を圧電体に塗布した外観図である。図１、２において、４はケース、５はケース天部内壁、６はケース天部内壁に配置された圧電体、７はケース天部内壁５と圧電体６を接続する接着剤、８はケース支持部、９はケース支持部に固定された端子板、１０ａ、１０ｂは端子板９に設けられた端子、１１は端子１０ａと端子１０ｂを絶縁するための絶縁部、１２は端子１０ａと圧電体６を電気的に接続するためのリード線である。
【００２０】
以上のように構成された超音波振動子について図１を用いて説明する。ケース４はステンレス製、そして接着剤７は熱硬化性エポキシ系樹脂を用いており、ケース４と圧電体６は接着剤７により接続されている。
【００２１】
ケース４と圧電体６とでは、屋外で使用される温度範囲において約３０％ケース４の熱膨張係数が大きいものを使用しており、それに使用する接着剤７の選択項目として、例えば接着剤７の硬さ、硬化時の内部応力、ガラス転移点（以下Ｔｇ点という）、接着強度の４項目等があげられる。
【００２２】
硬さは鉛筆硬度評価方法、硬化時の内部応力は厚み約１３０μｍのフィルムにエポキシ樹脂を約８０μｍ塗布し硬化後フィルムのそりを評価する方法などがある。フィルムとしては、例えばポリイミドがあげられる。
【００２３】
Ｔｇ点は厚さ約１．５ｍｍのサンプルを硬化させ、既知の熱機械的分析法などで計測される。接着強度はアルミ試験片にエポキシ樹脂を塗布し、アルミ試験片で挟み硬化させたサンプルの強度測定などがある。
【００２４】
本実施例で使用する接着剤７は、鉛筆強度の硬さの範囲ではＨから５Ｂを基本とし、ＨＢから２Ｂ以内のもので、Ｂでもかまわない。
【００２５】
その硬化時の内部応力としてはフィルムのそりによる変化率としては５０％以下を基本とし、少なくとも１０％以下に入るのもを使用して、限りなく０％に近いものを用いている。
【００２６】
そして、Ｔｇ点としては４０℃から１２０℃を基本とし、５０℃から９０℃以内のもので、約５９℃を使用している。
【００２７】
また、接着強度は５から３０Ｎ／ｍｍ２を基本とし、１０Ｎ／ｍｍ２以上のものを使用しており、初期値として１１．１Ｎ／ｍｍ２のものを選んでいる。この接着剤７を用いることにより、例えば８０℃と−４０℃各３０分ごとの繰り返し熱負荷試験を行ってもケース４と圧電体６の接続を破壊することなく耐久的に優れたものができる。
【００２８】
次に、本実施例の超音波振動子の作成方法について図３を用いて説明する。
【００２９】
圧電体６の接着剤塗布面に接着剤７を塗布する方法として、例えばスクリーン印刷方式や転写方式等があげられる。
【００３０】
圧電体６は、圧電体固定治具１３に装着する。圧電体固定治具１３から出る圧電体６の段差は、０ｍｍから０．２ｍｍを基本とし、約０．１ｍｍ圧電体６の方が高くなるように圧電体固定治具１３を設計するか図示していない段差調整板を設ける。前記圧電体固定治具１３を印刷台１４の上に固定し、その上にスクリーン１５をかぶせる。
【００３１】
このとき、圧電体６とスクリーンの間ｔは０ｍｍから１．５ｍｍの隙間を設けることを基本とし、０．３ｍｍから０．８ｍｍ以内のもので、約０．５ｍｍ程度の隙間を設けている。
【００３２】
スクリーン１５には圧電体６の接着剤塗布部分にのみ接着剤７が塗布されるようにほかの部分にマスキングを施してあり、スクリーンの開口寸法としては、圧電体６の接着剤塗布部よりも片側で０ｍｍから０．２ｍｍ小さいことを基本とし、約０．１ｍｍ程度小さくしてある。
【００３３】
次に、図３の（ｂ）のようにスクリーン１５の上に図示していない脱泡機で空気を抜いた接着剤７をのせる。
【００３４】
接着剤７の塗布はスキージ１６で行われる。図３の（ｃ）と（ｄ）に示されるようにスキージ１６は圧電体６に対して垂直方向にある加重をかけながら、圧電体６に対して水平方向に移動させることにより圧電体６に接着剤７を塗布させる。
【００３５】
一度に接着剤７を塗布する圧電体６の数は１から２５個程度で、塗布後の接着剤７の厚みが１０から２０μｍの範囲で均一に塗布される生産可能な数を選択する。
【００３６】
次に、図３の（ｅ）のように接着剤７を塗布した圧電体６を接着剤硬化治具１７に載せかえる。なお、圧電体固定治具１３を接着剤硬化治具１７の一部品として使用してもかまわない。
【００３７】
図３の（ｆ）と（ｇ）に示されるように圧電体６の接着剤の塗布面に上からケース４をかぶせてケース４の上から、加圧治具１８で圧電体６に向けて一様に加重をかける。例えば、既知のばね負荷式により加重をかけ、この状態で接着剤７を硬化させる。
【００３８】
このように接着されたケース４と圧電体６は図示していない圧電体６の電極部と端子１０ａをリード線１２によりそれぞれハンダ付けされる。
【００３９】
端子板９は、ケース支持部８と電気溶接を行うことにより固定される。
【００４０】
ケース４と端子板９を溶接することにより、電極のグランドになると同時に圧電体６を封止する役割を果たしている。このときケース内にある空気を乾燥した不活性ガスなどで置換させることで、圧電体６の電極部や接着剤７の劣化を防止することができる。
【００４１】
なお、圧電体６に接着剤７を塗布する手段としての転写方式としては、例えば接着剤の厚みを１０から２０μｍに均一にした部分から、図４の（ａ）（ｂ）に示されるように転写ピン１９で前記接着剤７を必要量だけ転写ピン１９に取り、転写ピン１９を圧電体６の塗布面につけて接着剤７を塗布させることができる。
【００４２】
また、図５（ａ）〜（ｃ）に示されるようにポリイミド２０などに接着剤７を転写させる形状分だけ凹加工２０ａを行い、そこに（ｂ）で示す如く接着剤７を埋め込み、その上に圧電体６を押し続けて接着剤塗布面に転写することもできる。
【００４３】
以上のように作成された超音波振動子を用いた超音波流量計について図６を用いて説明する。
【００４４】
流量計測部２１には側壁部２２、２３が設けられている。超音波振動子２４、２５は、送受波面が相対するように側壁部２２、２３に斜めに設けられた振動子取付穴２６、２７に固定される。
【００４５】
計測流体として、ガスや水、灯油、石油などの液体の流量を計測することを想定しているため、超音波振動子２４、２５と振動子取付穴２６、２７の間には液体が漏れ出さないようにシール材２８、２９を施してある。
【００４６】
計測手段としては、例えば既知のシングアラウンド法を用いて、超音波振動子２４、２５の伝搬時間を計測回路３０で計測することにより、流量演算手段３１で流量を算出することができる。屋外で使用する温度範囲において信頼性に優れた超音波振動子２４、２５を用いることにより、長期間屋外で使用しても超音波振動子２４、２５が破壊されることなく、耐久性のある超音波流量計を提供することができる。
【００４７】
なお、超音波振動子を超音波流量計に用いるとしていたが、距離センサ等の超音波センサとして用いても良い。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、熱衝撃によるケースと圧電体の接続の破損を防ぐ超音波振動子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波振動子の断面図
【図２】本発明の接着剤を塗布した圧電体の斜視図
【図３】（ａ）〜（ｇ）は本発明の超音波振動子の製造工程図
【図４】（ａ）（ｂ）は本発明の超音波振動子の接着剤塗布工程図
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の超音波振動子の接着剤塗布工程図
【図６】本発明の超音波振動子に用いる超音波流量計の一部断面図を含む構成図
【図７】従来の超音波振動子の断面図
【符号の説明】
４ケース
６圧電体
７接着剤
１６、１７超音波振動子
１３流量測定部
２０、２１シール材
２２計測回路
２３流量演算手段

Claims

天部と側壁部を有する有天ケースと、前記天部の内壁面に接着剤で固定された圧電体とを備え、前記接着剤は、材質、硬化時の硬さ、硬化時の内部応力、ガラス転移点、及び接着強度を以下の（１）〜（５）の通り設定し、熱衝撃印加時における前記有天ケースと前記圧電体との熱膨張係数の違いによる剥離現象を前記接着剤で緩和させるようにした超音波振動子。
（１）材質＝エポキシ樹脂
（２）硬化時の硬さ＝鉛筆硬度評価方法においてＨＢから２Ｂ。
（３）硬化時の内部応力＝ポリイミドを用いた所定のひずみ評価方法において１０％以下。
（４）ガラス転移点＝５０℃から９０℃以内。
（５）接着強度＝１０Ｎ／ｍｍ２以上。
請求項１記載の１対の超音波振動子を被測定流体が流れる流量測定部の上、下流に配置し、これら超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測回路で計測して、この計測回路からの信号に基づいて流量演算手段で流量を算出するようにした超音波流量計。