JP4513632B2 - 音響整合部材およびそれを用いた超音波振動子並びに超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動子および超音波振動子に用いる音響整合部材に関するものである。

従来この種の超音波振動子に用いられる音響整合部材は、中空ガラススフィアを型内に配置し、ガラスを軟化する温度に加熱することで隣接するガラスが結合し音響整合部材を形成する（例えば、特許文献１参照）。

図７は前記公報に記載された従来の音響整合部材を用いた超音波振動子を示すものである。図７に示すように、ＰＺＴ円筒体２３、電気的接続面２４、整合層２５から構成されている。
特開平２−１７７７９９号公報

しかしながら、前記従来の構成に用いられる音響整合層では、隣接する中空ガラススフィアを結合する時点で、ガラススフィア同士の未接触部分では結合されず、形成された音響整合部材の強度が弱いために取り扱い時に破壊する、あるいは超音波振動子の部品としたときの送受信感度にバラツキが生ずるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、隣接する中空球体同士を中空球体にあらかじめ備えた表面被覆層によって接合し、音響整合部材形成時に生ずる未接合部位を低減し、超音波振動子としたときの送受信感度を安定する音響整合部材を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の音響整合部材は、表面被覆層を備えた中空球体よりなる音響整合部材において、前記中空球体同士は前記表面被覆層によって隣接部位で接合されることを特徴とする音響整合部材としたものである。

これによって、中空球体にあらかじめ備えられた表面被覆層によって隣接する中空球体同士が隣接部位で接合され、中空球体同士の未接合部位を低減することによって安定した強度が得られ、超音波振動子としたときの送受信感度も安定化することになる。

本発明の音響整合部材は、隣接する中空球体同士を中空球体にあらかじめ備えた表面被覆層によって接合し、音響整合部材形成時に生ずる未接合部分を低減することによって安定した強度が得られ、超音波振動子としたときの送受信感度を安定化することができる。

第１の発明は、表面被覆層を備えた中空球体よりなる音響整合部材において、前記中空球体の表面を覆う表面被覆層内に、前記表面被覆層と硬化反応する添加物をあらかじめ存在させた後、前記中空球体が隣接するように配置し、加熱によって表面被覆層を硬化して固体化して接合されることで、前記中空球体同士の隣接部位が接合されることを特徴とするもので、簡単に音響整合部材を作製することができる。

第２の発明は、表面被覆層を備えた中空球体よりなる音響整合部材において、前記中空球体の表面を覆う表面被覆層内に、前記表面被覆層と加熱して表面被覆層を溶解し、冷却することで固体化する添加物をあらかじめ存在させた後、前記中空球体が隣接するように配置し、加熱によって表面被覆層を溶解し、冷却することで固体化し接合されることで、前記中空球体同士の隣接部位が接合されることを特徴とするもので、簡単に音響整合部材を作製することができる。

第３の発明は、表面被覆層を備えた中空球体よりなる音響整合部材において、前記中空球体の表面を覆う表面被覆層内に、前記表面被覆層と硬化反応する半硬化状の添加物をあらかじめ存在させた後、前記中空球体が隣接するように配置し、加熱によって表面被覆層を硬化して固体化し接合されることで、前記中空球体同士の隣接部位が接合されることを特徴とするもので、簡単に音響整合部材を作製することができる。

第４の発明は、天部と、側壁部と、前記側壁部の外側に設けた支持部とを備えた有天筒状金属ケースと、外部電極端子を有する端子板とで閉空間を構成し、前記天部開空間外壁面に第１から第３の発明のうちいずれかの発明における音響整合部材を固定し、一対の電極面を有する圧電体の一方の電極を前記閉空間内壁面に固定し、他方の電極面と前記端子板とを導電手段で電気的に接続した超音波振動子とすることにより、取り扱い安定性に優れ、送受信感度を安定化することができる。

第５の発明は、被測定流体が流れる流量測定部と上記流量測定部に設けられて超音波を送受信する一対の第４の発明に記載の超音波振動子と、上記超音波振動子間の伝播時間を計測する計測回路と上記計測回路から信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計とすることにより、超音波の安定した送受信をすることができる。

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、本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、本発明の実施の形態における音響整合部材の構成材料である表面被覆層を備えた中空球体の断面図を示すものである。

図１において、表面被覆層２は中空球体１の表面を覆うように形成されている。表面被覆層２は、エポキシ樹脂主剤であるビスフェノールＡに、固体の硬化剤を添加した一液性エポキシ樹脂を用いた。硬化剤は、芳香族アミンである、メタフェニレンジアミンやメチレンジアニリン、あるいはジシアンジアミドを用いた。これらビスフェノールおよび硬化剤の溶液を中空球体１である中空ガラス（平均粒子径６０μｍ）にスプレーしながら撹拌してコーティングする。コーティングの厚さは１〜１００μｍで行った。中空球体１は、ガラス組成に限定するものではなく樹脂組成であっても差し支えない。

図１で示した表面被覆層２を備えた中空球体１を、テフロン（登録商標）でコーティングした容器に投入する。その後、容器全体を加振装置に取り付け治具全体を振動させながら、中空球体１を加振充填する。図２は、加振充填後の中空球体１の充填状態断面図を示している。

この充填した中空球体１を、硬化炉に投入し１２０℃で１ｈ加熱する。加熱された中空球体１表面のエポキシ樹脂は加熱することで硬化剤が溶解し、ビスフェノールＡと反応して硬化する。図３は中空球体１の表面被覆層２が硬化し、中空球体１が接合した状態の音響整合部材断面図を示している。図２に示した隣接部位３が、表面被覆層２が溶解して接合され図３に示すように接合される。硬化した音響整合部材を、テフロン（登録商標）コーティングした治具より取り出しダイシングによりスライス加工し厚みを調整する。

図５は、本発明の音響整合部材を用いた超音波振動子の断面図、図６は本実施の形態の超音波振動子を用いた超音波流量計を示している。

同図において、有天筒状金属ケース１１は、Ｆｅを主成分とし、Ｃｒ、Ｎｉからなる材料を含有し、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｎｂ等のいずれかの添加物を含む合金からなり、深絞り加工によって天部８、側壁部９、支持部１０を有している。圧電体６は、対向する電極面７を備え、この電極面７にエポキシ接着剤をスクリーン印刷法で印刷し、有天筒状金属ケース１１の天部８内壁面に貼り合わせる。

音響整合部材５は、有天筒状金属ケース１１の天部８外壁面にエポキシ接着剤で貼り合わせる。音響整合部材５と有天筒状金属ケース１１と圧電体６とを加圧した状態で加熱硬化炉に投入し接着剤を硬化し有天筒状金属ケース１１と圧電体６と音響整合部材５とが接合される。接着剤の厚さは５〜５０μｍの厚さに調整することによって有天筒状金属ケース１１と圧電体６とが電気的に接合する構成としている。

その後、有天筒状金属ケース１１の支持部１０と、電極端子１２を有する端子板１３とを溶接によって接合し閉空間を構成する。端子板１３と、圧電体６の電極面を導電手段１６で電気的に接続する。導電手段１６は、導電部１４と絶縁部１５とから構成され、導電部１４はニッケル球状粒子に金メッキを施し、絶縁部１５はシリコンゴムで構成されている。

以上のように構成された超音波流量計の動作、作用に関して説明する。

一対の超音波振動子１８，１９の中心を結ぶ距離をＬとし、この直線と流れの方向である流路２１の長手方向となす角度をθとする。また流体の無風状態での音速をＣ、流路２１内での流体の流速をＶとする。流れる流体の上流側に配置された超音波振動子１８から送信された超音波は流路２１を斜めに横断し、下流側に配置された超音波振動子１９で受信する。このときの伝播時間ｔ１は、

で示される。次に、下流側に配置された超音波振動子１９から超音波を送信して上流側に配置された超音波振動子１８で受信する。このときの伝播時間ｔ２は、

で示される。そして伝播時間ｔ１，ｔ２の式から流体の音速Ｃを消去すると、

の式が得られる。距離Ｌと角度θが既知なら、計測回路にて伝播時間ｔ１，ｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖから流量Ｑは、流路２１の断面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量演算手段で、Ｑ＝ＫＳＶを演算して流量を求めることができる。

以上のように、本実施の形態においては表面被覆層２を備えた中空球体１よりなる音響整合部材５において、中空球体１同士は表面被覆層２によって隣接部位で接合されることにより、隣接する中空球体１同士を中空球体１にあらかじめ備えた表面被覆層２によって接合し、音響整合部材５の形成時に生ずる未接触部分を低減し、超音波振動子１７としたときの送受信感度を安定化することができる。

また、本実施の形態では、本発明の音響整合部材５を備えた超音波振動子１７を、例えばナトリウム・メチルシリコネート溶液とシュウ酸を基本組成とする撥水溶液を浸漬し撥水層を形成する。図４は、音響整合部材５に撥水層４を形成したときの断面図を示している。撥水層４の形成部分は、図４に示すように中空球体１の表面被覆層２の非接合部の少なくとも一部に備えることによって、結露することで音響整合部材５が吸湿することを防ぐことができ、耐湿性に優れた音響整合部材５とすることができる。

（実施の形態２）
図１は、本発明実施の形態における音響整合部材の構成材料である表面被覆層を備えた中空球体の断面図を示すものである。

図１において、表面被覆層２２は中空球体１の表面を覆うように形成されている。
表面被覆層２は、エポキシ樹脂主剤であるビスフェノールＡであり、中空球体１であるガラスバブルズフィラーにアセトンで希釈したビスフェノールＡ溶液に浸漬処理し、その後乾燥してコーティング処理を行う。中空球体１は、ガラス組成に限定するものではなく樹脂組成であっても差し支えない。

図１で示した表面被覆層２を備えた中空球体１を、テフロン（登録商標）でコーティングした容器に投入する。その後、容器全体を加振装置に取り付け治具全体を振動させながら、中空球体１を加振充填する。

図２は、加振充填後の中空球体１の充填状態断面図を示している。この充填した中空球体１に硬化剤である無水フタル酸を含浸し余分な硬化剤を１０分放置して除去する。余分な硬化剤の除去は、遠心力など用いても良い。硬化剤を添加した中空球体１を硬化炉に投入し１２０℃で１ｈ加熱する。加熱された中空球体１表面のエポキシ樹脂と硬化剤が反応して硬化する。

図３は中空球体１の表面被覆層２が硬化し、中空球体１が接合した状態の音響整合部材断面図を示している。図２に示した隣接部位３が溶解して接合され図３に示すように接合されている。硬化した音響整合部材を、テフロン（登録商標）コーティングした治具より取り出しダイシングによりスライス加工し厚みを調整する。

以下、実施の形態１の記載方法同様とする。

（実施の形態３）
図１は、本発明実施の形態における音響整合部材の構成材料である表面被覆層を備えた中空球体の断面図を示すものである。

図１において、表面被覆層２２は中空球体１の表面を覆うように形成されている。
表面被覆層２は、ピロメリット酸に４、４´‐ジフェニルエーテルを混合して５０℃に調整し半硬化状態であるポリアミック酸とし、中空球体１であるガラスバブルズフィラーに浸漬処理することによってコーティングする。場合によってはスプレーを使用してコーティングすることもできる。中空球体１は、ガラス組成に限定するものではなく樹脂組成であっても差し支えない。

図１で示した表面被覆層２を備えた中空球体１を、テフロン（登録商標）でコーティングした容器に投入する。その後、容器全体を加振装置に取り付け治具全体を振動させながら、中空球体１を加振充填する。図２は、加振充填後の中空球体１の充填状態の断面図を示している。この充填した中空球体１を、硬化炉に投入し１２０℃で１ｈ加熱する。加熱された中空球体１表面のポリアミック酸は加熱することで転化し不溶不融のポリイミドとなる。図３は中空球体１の表面被覆層２が硬化し、中空球体１が接合した状態の音響整合部材５の断面図を示している。図２に示した隣接部位３が接合され図３に示すように接合されている。硬化した音響整合部材５を、テフロン（登録商標）コーティングした治具より取り出しダイシングによりスライス加工し厚みを調整する。

以下、実施の形態１の記載方法同様とする。

以上のように、本発明にかかる音響整合部材およびそれを用いた超音波振動子
は、隣接する中空球体同士を中空球体にあらかじめ備えた表面被覆層によって接合し、音響整合部材形成時に生ずる未接合部分を低減することによって安定した強度が得られ、超音波振動子としたときの送受信感度を安定化することが可能となるので、超音波振動子およびそれを用いて発生させた超音波により、気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計、および距離センサ等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態における音響整合部材の構成材料である表面被覆層を備えた中空球体の断面図 同実施の形態の音響整合部材の形成過程における断面図 同実施の形態の音響整合部材の断面図 同実施の形態の音響整合部材の断面図 同実施の形態の音響整合部材を用いた超音波振動子の断面図 道実施の形態の超音波振動子を用いた超音波流量計の断面図 従来の音響整合部材を用いた超音波振動子の断面図

符号の説明

１ 中空球体
２ 表面被覆層
３ 隣接部位
４ 撥水層
５ 音響整合部材
６ 圧電体
７ 電極
８ ケース天部
９ ケース側壁部
１０ ケース支持部
１１ ケース
１２ 電極端子
１３ 端子板
１４ 導電部
１５ 絶縁部
１６ 導電手段
１７ 超音波振動
２０ 振動子取り付け穴
２１ 流路
２２ シール材
２３ ＰＺＴ円筒体
２４ 電気的接続面
２５ 整合層

Claims (5)

1. 表面被覆層を備えた中空球体よりなる音響整合部材において、
   前記中空球体の表面を覆う表面被覆層内に、前記表面被覆層と硬化反応する添加物をあらかじめ存在させた後、前記中空球体が隣接するように配置し、加熱によって表面被覆層を硬化して固体化して接合されることで、前記中空球体同士の隣接部位が接合されることを特徴とする音響整合部材。
2. 表面被覆層を備えた中空球体よりなる音響整合部材において、
   前記中空球体の表面を覆う表面被覆層内に、前記表面被覆層と加熱して表面被覆層を溶解し、冷却することで固体化する添加物をあらかじめ存在させた後、前記中空球体が隣接するように配置し、加熱によって表面被覆層を溶解し、冷却することで固体化し接合されることで、前記中空球体同士の隣接部位が接合されることを特徴とする音響整合部材。
3. 表面被覆層を備えた中空球体よりなる音響整合部材において、
   前記中空球体の表面を覆う表面被覆層内に、前記表面被覆層と硬化反応する半硬化状の添加物をあらかじめ存在させた後、前記中空球体が隣接するように配置し、加熱によって表面被覆層を硬化して固体化し接合されることで、前記中空球体同士の隣接部位が接合されることを特徴とする音響整合部材。
4. 天部と、側壁部と、前記側壁部の外側に設けた支持部とを備えた有天筒状金属ケースと、外部電極端子を有する端子板とで閉空間を構成し、前記天部開空間外壁面に請求項１または３のいずれか１項に記載の音響整合部材を固定し、一対の電極面を有する圧電体の一方の電極を前記閉空間内壁面に固定し、他方の電極面と前記端子板とを導電手段で電気的に接続した超音波振動子。
5. 被測定流体が流れる流量測定部と、前記流量測定部に設けられて超音波を送受信する一対の請求項４に記載の超音波振動子と、前記超音波振動子間の伝播時間を計測する計測回路と前記計測回路からの信号に基づいて前記被測定流体の流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計。