JP4509458B2 - 超音波振動子及びそれを用いた超音波流量計 - Google Patents
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Description
【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 (2)
- 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。
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