JP4701059B2 - 超音波センサ及びその製造方法ならびにその最適設計装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を用いた超音波センサ及びその製造方法ならびにその最適設計装置に関し、特に精度や信頼性を向上させる技術に関する。

従来、流体の流量を計測する流量計に適用される超音波センサが知られている。この超音波センサは、例えば、流体の流れの方向に対し斜めに対向して配置された２つの超音波センサ（超音波振動子）間を伝搬する超音波の伝搬時間を計測することにより流体の流量を求めるものであり、ｎｓ（ナノ秒）オーダの高精度が要求されている。また、流量計の耐用年数は約１０年であるため、超音波センサの長期信頼性が求められている。

しかし、超音波センサは製造時における各構成部品の熱膨張差に起因する内部残留応力や変形などにより、精度や信頼性が低下する。

このため、超音波センサを構成する圧電素子とケースとを圧電素子やケースよりも軟質で可とう性を有し、硬化ひずみが所定値以下の接着剤により接着し、この接着剤を緩衝材として圧電素子とケースとの間の熱膨張差を緩和させる超音波センサが開示されている（特許文献１）。

また、音響整合層とケースとの間、及びケースと圧電素子との間をそれぞれ異なる特性（硬さ、熱膨張係数、有機溶剤への反応、吸水性、熱劣化性、硫黄化合物への反応等）の接着剤により接着し、複数の部品間の接続劣化を防止させた構造の超音波センサが開示されている（特許文献２）。
特開２００３−２７００１３号公報 特開２００４−４８２４１号公報

しかしながら、上述した従来の超音波センサは、圧電素子とケース、ケースと圧電素子との間を接着する接着剤により部品界面の熱膨張差により発生する応力を緩和させるものである。即ち、特定のセンサ構造や構成部品材料をベースに検討されたものであり、適用できるセンサ構造や構成部品の材料が限定されている。このため、センサ構造や構成部品の材料が異なると十分な精度や信頼性を得ることが困難である。

また、従来の超音波センサの構造改良等の設計は、経験により繰り返し試行されることにより行なわれていたので、簡易的に最適な構造を得ることが困難である。そこで、多様化するセンサ構造や構成部品の材料に対応した設計装置が必要であるが、このような設計装置は存在しない。

本発明の課題は、構造や構成部品の材料が限定されずに、製造時に各構成部品及び部品界面に発生する応力を緩和できる超音波センサ及びその製造方法ならびにその最適設計装置を提供することにある。

本発明は前記課題を解決するために以下の手段を採用した。請求項１の発明は、圧電素子と、この圧電素子に接合させて形成された音響整合層と、前記圧電素子の側面と下面に形成されて前記圧電素子の少なくとも一部を覆い、前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和させるための緩衝部材と、前記圧電素子を封止するための封止部材と、上部が内側に突起した側壁を有する中空の部材からなり、前記封止部材の少なくとも側面と接し、上面が前記音響整合層に接合するとともに前記緩衝部材を介して前記圧電素子に接合し、前記圧電素子を補強するための補強部材と、前記補強部材を覆うケースとを備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項1記載の超音波センサにおいて、前記緩衝部材は、前記音響整合層と前記圧電素子と前記補強部材との中で最も軟質な構成部品よりも軟質な材料からなることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載の超音波センサにおいて、前記緩衝部材は、シリコン樹脂からなることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の超音波センサにおいて、前記緩衝部材は、１０〜１００μｍの厚さを有することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の超音波センサにおいて、前記緩衝部材は、０．００１〜０．０１ＧＰａの縦弾性係数を有することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１記載の超音波センサにおいて、前記補強部材は、前記封止部材または前記ケースよりも硬質な高分子材料からなることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１記載の超音波センサにおいて、前記補強部材は、前記封止部材または前記ケースよりも硬質な金属材料からなることを特徴とする。

請求項８の発明は、圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和させるための緩衝部材を、前記圧電素子の側面及び下面に前記圧電素子の少なくとも一部を覆うように形成する工程と、上部が内側に突起した側壁を有する中空の部材からなり且つ前記圧電素子を補強するための補強部材の上面に前記圧電素子を取り付ける工程と、前記圧電素子と接合させるとともに前記補強部材の上面に接合させる音響整合層を形成する工程と、前記圧電素子を封止するための封止部材を前記補強材料の少なくとも内側面と接するように形成する工程と、前記補強部材を覆うようにケースを取り付ける工程とを有することを特徴とする。
ことを特徴とする。

請求項９の発明は、圧電素子と前記圧電素子に接合された音響整合層と前記圧電素子の側面及び下面に形成され且つ前記圧電素子の少なくとも一部を覆う緩衝部材と前記圧電素子を封止するための封止部材と前記封止部材を覆うケースとを備える超音波センサを、前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和するように最適化設計する最適設計装置であって、前記超音波センサのセンサ構造データ、前記超音波センサを構成する各構成部品の材料特性データ及び製造条件データ、前記超音波センサを最適化する際の制約条件を示す制約条件データ及び超音波センサに要求される応力の許容範囲を示す要求値データを入力する入力手段と、前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記応力との関係を示す第１関係データを記憶する記憶手段と、前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記記憶手段に記憶された前記第１関係データとに基づいて前記応力を求め、該応力が前記要求値データを満たしていない場合は、前記制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つ前記第１関係データに基づいて、前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データを変更して、該応力が前記要求値データを満たすように前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データを最適化する最適化手段と、前記最適化手段により最適化された結果を出力する出力手段とを備えることを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項９記載の最適設計装置において、前記記憶手段は、前記第１関係データを記憶するとともに前記応力を緩和するために前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との界面に挿入される緩衝部材の材料、形状、寸法、位置と前記応力との関係を示す第２関係データを記憶し、前記最適化手段は、前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記記憶手段に記憶された前記第１関係データとに基づいて前記応力を求め、該応力が前記要求値データを満たしていない場合で且つ前記制約条件データとして、前記緩衝部材を前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との界面に挿入可とする旨のデータが前記入力手段により入力された場合は、前記制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つ前記第２関係データに基づいて、前記緩衝部材の材料、形状、寸法、位置を変更して、該応力が前記要求値データを満たすように前記緩衝部材を最適化することを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項９記載の最適設計装置において、前記超音波センサのセンサ構造データは、前記各構成部品の形状、寸法及び位置を示すデータを有することを特徴とする。

請求項１２の発明は、請求項９記載の最適設計装置において、前記各構成部品の材料特性データは、化学成分、質量密度、硬さ、溶剤耐性、可とう性、流動性を示す材質データ、縦弾性係数、ポアソン比、引張強さ、靭性を示す機械的特性データ、線膨張係数、熱伝導率、熱伝達率、比熱、キュリー温度、ガラス転移温度、熱分解温度を示す熱的特性データ、導電率、静電容量を示す電気的特性データ、比誘電率、圧電ひずみ定数、圧電応力定数、電気機械結合定数、音響インピーダンスを示す圧電特性データ、構成部品が予め加工されている場合に該加工時の残留応力及び残留ひずみデータを有することを特徴とする。

請求項１３の発明は、請求項９記載の最適設計装置において、前記製造条件データは、前記各構成部品を接合する際の拘束荷重、拘束変位を示す加圧条件データ、製造時に加熱する際の加熱前温度、加熱速度、加熱温度、加熱保持時間、冷却速度、冷却後温度を示す温度条件データの少なくとも１つを有することを特徴とする。

請求項１４の発明は、請求項９記載の最適設計装置において、前記制約条件データは、前記各構成部品の適用材料の制約または裕度を示すデータ、超音波センサ全体、前記各構成部品の形状・寸法・位置の制約または裕度を示すデータ、製造条件の制約または裕度を示すデータの少なくとも１つを有することを特徴とする。

請求項１５の発明は、請求項９記載の最適設計装置において、前記要求値データは、前記超音波センサ全体、前記各構成部品、前記各構成部品の界面の少なくとも１つに発生する許容最大応力及び許容最小応力を示すデータを有することを特徴とする。

請求項１６の発明は、請求項９記載の最適設計装置において、前記記憶手段に記憶された関係データは、試験、検査、観察、解析の少なくとも１つによって得られたものであることを特徴とする。

請求項１７の発明は、請求項９記載の最適設計装置において、前記最適化手段は、前記超音波センサに含まれている構成部品を変更することなく前記制約条件データまたは前記要求値データを満たすことができない場合は、前記超音波センサに含まれていない部品を追加または前記超音波センサに含まれている部品を削除することを特徴とする。

請求項１８の発明は、請求項９記載の最適設計装置において、前記出力手段から出力される最適化された結果は、前記超音波センサのセンサ構造データ、前記各構成部品の材料特性データ、前記製造条件データの少なくとも１つを含むことを特徴とする。

請求項１９の発明は、請求項９記載の最適設計装置において、前記出力手段から出力される最適化された結果は、前記超音波センサの応力分布、ひずみ分布または変形分布の少なくとも１つを含むことを特徴とする。

本発明の超音波センサによれば、圧電素子の側面と下面に形成されて圧電素子の少なくとも一部を緩衝部材で覆うことにより、圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和させたので、構造や構成部品の材料が限定されずに、製造時に各構成部品及び部品界面に発生する応力を緩和できる。

また、上部が内側に突起した側壁を有する中空の部材からなり、圧電素子を封止するための封止部材の少なくとも側面と接し、上面が音響整合層に接合するとともに緩衝部材を介して圧電素子に接合し、圧電素子を補強するための補強部材で覆い、圧電素子を補強したので、圧電素子に発生する応力がさらに低減し、変形が抑制され、精度及び信頼性を向上させることができる。

また、本発明の最適設計装置によれば、入力手段により最適化前の超音波センサのセンサ構造データ、各構成部品の材料特性データ、製造条件データ、制約条件データ及び要求値データを入力し、最適化手段はセンサ構造データ、材料特性データ及び製造条件データと記憶手段に構築された第１関係データに基づいて応力を求め、該応力が要求値データを満たしていない場合は、制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つ第１関係データに基づいて、センサ構造データ、材料特性データ及び製造条件データを変更して、該応力が要求値データを満たすようにセンサ構造データ、材料特性データ及び製造条件データを最適化するので、センサ構造や構成部品の材料が限定されずに、製造時に各構成部品及び部品界面に発生する応力が緩和された超音波センサの最適化設計を容易に行うことができる。

以下、本発明の実施例に係る超音波センサ及びその製造方法ならびにその最適設計装置を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る超音波センサの断面図である。図１に示すように、本発明の実施例１に係る超音波センサは、音響整合層１、圧電素子２、シリコン樹脂３、エポキシ樹脂４、ケース５、接着剤６、緩衝材料７、補強材料８を備えて構成されている。

圧電素子２は、上面（超音波送受信面２ａ）が音響整合層１と接着剤６により接合され、音響整合層１に覆われている。圧電素子２の側面及び下面の一部には、圧電素子２と該圧電素子２に隣接する部品との熱膨張差により発生する応力を緩和させるための緩衝材料７が形成されており、圧電素子２の側面と音響整合層１及び圧電素子２の下面の一部と補強材料８は緩衝材料７を介して接合されている。また、圧電素子２と音響整合層１とは接着剤６を用いずに加圧することにより接合させてもよい。

緩衝材料７は、音響整合層１、圧電素子２、補強材料８の中で最も軟質な構成部品よりも軟質な材料であればよく、圧電素子２の少なくとも一部を覆うことにより、超音波センサを構成する各構成部品及び部品界面に発生する応力が緩和されるが、厚さが１０〜１００μｍ、縦弾性係数が０．００１〜０．０１ＧＰａであることが好ましい。緩衝材料７は、例えば８０μｍの厚さのシリコン樹脂（縦弾性係数：０．００２５ＧＰａ）からなる。また、緩衝材料７は圧電素子２と音響整合層１とを接合させるための接着剤６と同一の材料を使用してもよい。

図２は緩衝材料７の厚さと、圧電素子２及びケース５に発生する応力との関係を示した図である。図２に示すように、緩衝材料７の厚さが厚くなるにしたがって、圧電素子２及びケース５に発生する応力が小さくなることが分かる。従って、圧電素子２の少なくとも一部を緩衝材料７で覆うことにより圧電素子２に発生する応力は低減する。

補強材料８は、例えば図１に示すように、上部が内側に突起した側壁を有する中空の部材であり、補強材料８の上面８ａは音響整合層１と接合されるとともに緩衝材料７を介して圧電素子２と接合されている。補強材料８は、例えば、１０ｍｍの厚さのガラス繊維強化プラスチックや、ステンレス鋼等の金属材料からなる。この補強材料８は、エポキシ樹脂４またはケース５より硬質な材料であればよく、形状、寸法の制限はない。

シリコン樹脂３は、圧電素子２の下面２ｂ及び補強材料８の内側面８ｂと接するように形成され、エポキシ樹脂４は、シリコン樹脂３及び補強材料８の内側面８ｃと接するように形成されている。このエポキシ樹脂４とシリコン樹脂３は圧電素子２を封止するためのポッティング材（封止材）である。ケース５は、補強材料８の外側面８ｄを覆い、ケース５とポッティング材（シリコン樹脂３及びエポキシ樹脂４）との間に補強材料８が設けられている。

超音波センサは、ポッティング材の少なくとも一部を補強材料８で覆うことにより圧電素子２が補強されて、従来圧電素子２に発生していた応力が補強材料８に分散されて圧電素子２に発生する応力が低減し、センサ全体の変形が抑制される。

図３は補強材料８の厚さと、センサの変形の度合（センサ全体の最大変位）との関係を示した図である。図３に示すように、補強材料８の厚さが厚くなるにしたがって、部品界面に発生する応力が小さくなり、センサ全体の変形の度合が小さくなることが分かる。また、補強材料８の剛性を高くするにしたがって、部品界面に発生する応力が小さくなることも確認されている。従って、ポッティング材の少なくとも一部を補強材料８で覆うことにより圧電素子２に発生する応力は低減する。

次に、本発明の実施例１に係る超音波センサの製造方法を示す。図４は実施例１に係る超音波センサの製造方法の一例を示す工程図である。図４に示すように、まず、圧電素子２に緩衝材料７をコーティングする（図４（ａ））。次に、緩衝材料７がコーティングされた圧電素子２を補強材料８に取り付ける（図４（ｂ））。次に、補強材料８の内側面８ｂ及び圧電素子２の下面２ｂと接するようにシリコン樹脂３を充填する（図４（ｃ））。次に、圧電素子２及び緩衝材料７を覆うように音響整合層１を取り付ける（図４（ｄ））。このとき音響整合層１と圧電素子２の超音波送受信面２ａとは接着剤６により接合される。次に、補強材料８の内側面８ｃ及びシリコン樹脂３に接するようにエポキシ樹脂４を充填して加熱し、加熱後冷却させることでエポキシ樹脂４を硬化させる（図４（ｅ））。次に、ケース５を取り付ける（図４（ｆ））。

上記の工程において、緩衝材料７は、圧電素子２を補強材料８に取り付ける前に圧電素子２にコーティングしたが、圧電素子２を補強材料８に取り付け、音響整合層１を取り付けた後に緩衝材料７を充填するものとしてもよい。

また、補強材料８は、補強材料８及びエポキシ樹脂４以外の部品を取り付けた後で補強材料８を取り付け、その後エポキシ樹脂４を充填するものとしても、予め補強材料８を挿入する隙間を残した状態で他の部品を取り付け、エポキシ樹脂４を充填した後で、補強材料８を挿入するものとしてもよい。

このように、実施例１に係る超音波センサは、圧電素子２の少なくとも一部を緩衝材料７で覆うことにより、圧電素子２と圧電素子２に隣接する部品との熱膨張差により発生する応力を緩和させたので、センサ構造や構成部品の材料が限定されずに、製造時に各構成部品及び部品界面に発生する応力を緩和できる。

また、実施例１に係る超音波センサは、圧電素子２を封止するためポッティング材の少なくとも一部を補強材料８で覆い、圧電素子２を補強したので、圧電素子２に発生する応力がさらに低減し、センサ全体の変形が抑制され、精度及び信頼性を向上させることができる。

本発明の実施例２に係る最適設計装置は、超音波センサのセンサ構造（各部の寸法や形状や位置）、各構成部品の材料、製造条件等を最適化する装置である。

図５は本発明の実施例２に係る超音波センサの最適設計装置の機能構成を示した図である。図５に示すように、本発明の実施例２に係る最適設計装置は、入力部１０、記憶部１１、最適化計算部１２及び出力部１３を備えて構成されている。

入力部１０は、最適化前の超音波センサ（以下、試作センサという）の構造を示すデータ（以下、センサ構造データという）、試作センサを構成する各構成部品の材料特性を示すデータ（以下、材料特性データという）、試作センサを製造する際の製造条件を示すデータ（以下、製造条件データという）の各設計データと、最適化する際の制約条件を示すデータ（以下、制約条件データという）と、超音波センサに要求される応力の許容範囲（要求値）を示すデータ（以下、要求値データという）とを入力する。

センサ構造データは、各構成部品の形状、寸法、位置を示すデータであり、センサ構造データが入力される試作センサは、圧電素子と音響整合層を備えていればよい。図６は試作センサの構造の一例を示した断面図である。図６に示す試作センサは、音響整合層１４、圧電素子１５、シリコン樹脂１６、エポキシ樹脂１７、基板１８、ケース１９を備えて構成されている。センサ構造データは、例えば図６に示す試作センサの構造を図７に示すように座標化したときの座標情報であり、入力部１０には、この座標情報がセンサ構造データとして入力される。

このセンサ構造データは、試作センサの構造を示す図面等をスキャナ等で読み込み、座標値を取得した後で各構成部品の形状、寸法、位置が明確になるように手入力しても、試作センサの構造を示すＣＡＤデータ等のデジタルデータを入力してもよい。

材料特性データは、試作センサを構成する各構成部品の材質（化学成分、質量密度、硬さ、溶剤耐性、可とう性、流動性等）、機械的特性（縦弾性係数、ポアソン比、引張強さ、靭性等）、熱的特性（線膨張係数、熱伝導率、熱伝達率、比熱、キュリー温度、ガラス転移温度、熱分解温度等）、電気的特性（導電率、静電容量等）、圧電特性（比誘電率、圧電ひずみ定数、圧電応力定数、電気機械結合定数、音響インピーダンス）を示すデータである。

この材料特性データとしては、例えば図８に示すように、音響整合層１４、圧電素子１５、ケース１９の縦弾性係数、ポアソン比、線膨張係数を入力する。また、予め加工した構成部品の影響を加味したい場合は、該加工時の残留応力、残留ひずみ等を入力してもよい。なお、シリコン樹脂１６、エポキシ樹脂１７、基板１８の材料特性データは、記憶部１１に記憶されている材料データテーブル（後述）から読み出される。また、音響整合層１４、圧電素子１５、ケース１９の材料特性データも材料データテーブルから読み出すものとしてもよい。この場合、入力部１０には、各構成部品の材料が何であるかを入力するだけでよい。

製造条件データは、試作センサ製造時の各工程における温度条件、加圧条件等であり、各構成部品を接合する際の拘束荷重または拘束変位を示すデータ、製造時に加熱する際の加熱前温度、加熱速度、加熱保持時間、冷却速度、冷却後温度を示すデータの少なくとも１つを有する。

この製造条件データは、例えばエポキシ樹脂１７を充填して加熱硬化させる工程の温度条件として、図９に示すように、加熱前温度を２５℃、加熱速度を１０℃／分、加熱温度を１５０℃、加熱保持時間を１時間、冷却速度を１０℃／分、冷却後温度を２５℃と入力する。また、この製造条件データは、加圧条件として、例えば図１０に示すように、センサ拘束荷重を０ｋｇ、拘束変位を０ｍｍと入力する。この製造条件データは、エポキシ樹脂１７の替わりに加熱を必要としない常温硬化樹脂や接着剤を使用する場合、温度条件を未入力とし、加圧条件として、拘束荷重及び拘束変位（各構成部品間を接着させる際に加圧する力及び変位）を入力してもよい。

制約条件データは、超音波センサを最適化設計する際に与える制約条件を示すデータである。即ち、試作センサを最適化する際に、超音波センサの各構成部品として適用可能な材料の制約または裕度を示すデータ、超音波センサ全体及び各構成部品の形状・寸法・位置の制約または裕度を示すデータ、超音波センサを製造する際の製造条件の制約または裕度を示すデータの少なくとも１つを有する。

この制約条件データは、試作センサの各構成部品の材料、寸法、形状、位置及び製造条件の変更可否、部品界面に部材（緩衝材料、補強材料等）挿入の可否及び挿入する部材の材料、寸法、形状、位置及び製造条件の制約または裕度を入力する。この制約条件データは、例えば図１１に示すように、（１）音響整合層１４及び圧電素子１５の寸法、形状、位置は変更しない、（２）部品界面に部材を挿入しない、（３）各構成部品の材料及び製造条件は変更しないこと等を示すデータを入力する。

要求値データは、超音波センサに要求される性能（要求値）を示すデータであり、対象部位に発生する許容最大応力及び許容最小応力を示すデータまたは超音波センサに発生する応力による変形変位量の許容値を示すデータである。

この要求値データは、例えば図１２に示すように、圧電素子１５に発生する許容最大応力を０ＭＰａ、許容最小応力を−１２０ＭＰａと入力する。要求値データの対象部位は、センサ全体、センサを構成する各構成部品、各構成部品の界面のいずれにしてもよい。

記憶部１１は、入力部１０で入力されたセンサ構造データ、材料特性データ及び製造条件データの各設計データと応力との関係を示すデータテーブル等の複数のデータテーブルが記憶されたデータベースである。この複数のデータテーブルは、例えば各構成部品の材料毎の特性（線膨張係数等）を示す材料データテーブル、各構成部品間の線膨脹係数差と応力との関係を示す線膨脹係数差データテーブル、圧電素子１５と該圧電素子１５に隣接する部品との界面に形成される緩衝材料の厚さと応力変動値との関係を示す緩衝材膜厚データテーブル等である。記憶部１１は、最適化計算部１２からの要求により、これらのデータテーブルを最適化計算部１２に出力する。

図１３は圧電素子１５とケース１９との線膨脹係数差と、圧電素子１５及びケース１９に発生する応力との関係を示した図である。図１４は圧電素子１５とケース１９との線膨脹係数差と、圧電素子１５とケース１９との部品界面に発生する応力との関係を示した図である。図１３及び図１４に示すように一般に隣接する２つの部品間の線膨脹係数差が大きいと発生する応力も大きくなる。これらの関係は、試験、検査、観察、解析等によって得られたものであり、記憶部１１に構築されたデータベースは、試験、検査、観察、解析等によって得られたデータが蓄積されたものである。

最適化計算部１２は、入力部１０でセンサ構造データ、材料特性データ、製造条件データ、制約条件データ、要求値データの各入力データが入力されると、入力された各入力データに関連したデータテーブルを記憶部１１に構築されたデータベースから検索して、各入力データに関連した複数のデータテーブルを抽出する。最適化計算部１２は、抽出された複数のデータテーブルに基づき、入力部１０で入力された要求値データを満たすように試作センサのセンサ構造データ、材料特性データ、製造条件データを最適化する。

また、最適化計算部１２は、試作センサに含まれている構成部品を変更することなく要求値を満たすことができない場合は、試作センサに含まれていない部品を追加または試作センサに含まれている部品を削除して、試作センサを最適化する。例えば、図６に示す試作センサには緩衝材料が含まれていないが、該試作センサに含まれている構成部品を変更することなく要求値を満たすことができない場合は、緩衝材料を追加することにより要求値を満たすように最適化する。

出力部１３は、最適化計算部１２により最適化されたセンサ構造データ、材料特性データ及び製造条件データの各設計データと、最適化された超音波センサに発生する応力を示す応力データまたは該応力による変形変位を示す変形データとを出力する。この応力データ、変形データはそれぞれ応力分布、変形分布を示すデータを有するものとしてもよい。

次に、本発明の実施例２に係る超音波センサの最適設計装置を用いて超音波センサを最適化設計する方法を、図１５に示すフローチャートを用いて説明する。なお、ここでは、一例として、図６に示した超音波センサを最適化設計する場合を説明する。

まず、最適化前の超音波センサ（試作センサ）のセンサ構造データ、構成部品の材料特性データ及び製造条件データの各設計データを、入力部１０により入力する（ステップＳ１）。最適化計算部１２は、記憶部１１に構築されたデータベースを検索して、各設計データに関連したデータテーブルを抽出し、抽出されたデータテーブルに基づいて試作センサに発生する応力を求める（ステップＳ２）。

例えば、図１６に示すように、圧電素子１５の材料がＡ２であり、ケース１９の材料がＢ１である旨が入力部１０により入力された場合、最適化計算部１２は、圧電素子１５を構成する材料及びケース１９を構成する材料の線膨張係数を示す材料データテーブル１００ａ及び１００ｂを記憶部１１から抽出する。次に、最適化計算部１２は、抽出された材料データテーブル１００ａから圧電素子１５を構成する材料Ａ２の線膨張係数Ｋ２を取得し、材料データテーブル１００ｂからケース１９を構成する材料Ｂ１の線膨張係数Ｌ１を取得する。次に、最適化計算部１２は圧電素子１５の線膨張係数Ｋ２とケース１９の線膨張係数Ｌ１との差分（線膨脹係数差）を求める。次に、最適化計算部１２は、線膨脹係数差と応力との関係を示す線膨張係数差データテーブル１０１を抽出して、求められた線膨脹係数差と線膨張係数差データテーブル１０１とに基づいて試作センサに発生する応力を求める。この場合、圧電素子１５とケース１９との線膨脹係数差はα２であるとすれば、最適化計算部１２は、線膨脹係数差データテーブル１０１に基づいて、試作センサに発生する応力Ｆ２を求めることができる。

次に、入力部１０に要求値データを入力する（ステップＳ３）。最適化計算部１２は、試作センサの応力が要求値を満たしているかどうかを判定し（ステップＳ４）、要求値を満たしている場合は、その旨を出力部１３に出力する（ステップＳ１０）。要求値を満たしていない場合は、入力部１０により制約条件データを入力する（ステップＳ５）。

次に、最適化計算部１２は、制約条件データとして緩衝材料を挿入可とする旨が入力されたかどうかを判定する（ステップＳ６）。緩衝材料を挿入可とする旨が入力された場合、緩衝材料の最適化が行われる（ステップＳ７）。

緩衝材料の最適化は、与えられた制約条件の範囲内で緩衝材の材料、寸法、形状、位置等を変化させていき、応力が要求値を満たすような緩衝材の材料、寸法、形状、位置等を求める。

例えば、入力部１０により、緩衝材料の制約条件として、材料をシリコン樹脂とし、形状を厚さが均一な薄膜状とし、挿入位置を圧電素子１５とケース１９との界面とする旨が入力された場合、即ち緩衝材料の寸法（厚さ）のみを変更可とする制約条件が入力された場合、最適化計算部１２は、図１６に示すように、緩衝材料の厚さと応力補正量との関係を示す緩衝材膜厚データテーブル１０２を抽出する。最適化計算部１２は、緩衝材膜厚データテーブル１０２に基づいて、緩衝材料の厚さを変化させていき、このときの応力補正量を求める。また、最適化計算部１２は、求められた応力補正量と試作センサの応力とに基づいて、緩衝材料を挿入後の応力を求める。最適化計算部１２は求められた緩衝材料挿入後の応力と要求値とを比較して、緩衝材料挿入後の応力が要求値を満たす緩衝材厚さを探す。この場合、応力補正量がＦｘ３のときに緩衝材料を挿入後の応力が要求値を満たすものとすると、最適化計算部１２は、緩衝材膜厚データテーブル１０２に基づいて、緩衝材厚さの最適値Ｄ３を求めることができる。

なお、緩衝材料の最適化は、与えられた制約条件の範囲内で緩衝材の材料、寸法、形状、位置等を変化させても応力が要求値を満たすことができない場合、応力が要求値に最も近い値になったときの緩衝材の材料、寸法、形状、位置等を最適値とする。

次に、最適化計算部１２は、ステップＳ７で求められた最適値を有する緩衝材料を挿入後の応力が要求値を満たしているかどうかを判定する（ステップＳ８）。要求値を満たしている場合は、応力が要求値を満たす緩衝材の材料、寸法、形状、位置等を示すデータと、このときの応力を示すデータを出力部１３に出力する（ステップＳ１０）。要求値を満たしていない場合は、試作センサの各設計データを最適化する（ステップＳ９）。

各設計データの最適化は、与えられた制約条件の範囲内で試作センサの各構成部品の材料、寸法、形状、位置、製造条件を変化させていき、応力が要求値を満たすような各構成部品の材料、寸法、形状、位置、製造条件を求める。

例えば、入力部１０により、各設計データの制約条件として、圧電素子１５及びケース１９の材料のみを変更可とする制約条件が入力された場合、最適化計算部１２は、図１７に示す材料データテーブル１００ａ及び１００ｂに基づいて、圧電素子１５の材料をＡ１、Ａ２、・・・と変化させていき、ケース１９の材料をＢ１、Ｂ２、・・・と変化させていき、圧電素子１５とケース１９との線膨脹係数差を求める。最適化計算部１２は、求められた線膨脹係数差と線膨張係数差データテーブル１０１とに基づいて応力を求める。最適化計算部１２は求められた応力と要求値とを比較して、応力が要求値を満たす圧電素子１５及びケース１９の材料を探す。この場合、応力Ｆ３が要求値を満たすものとし、このときの線膨脹係数差α３は圧電素子１５の材料をＡ１、ケース１９の材料をＢ２としたときに得られるものとすれば、最適化計算部１２は、圧電素子１５の材料をＡ１、ケース１９の材料をＢ２に最適化する。

なお、各設定データの最適化は、与えられた制約条件の範囲内で試作センサの各構成部品の材料、寸法、形状、位置、製造条件を変化させても応力が要求値を満たすことができない場合、応力が要求値に最も近い値になったときの各構成部品の材料、寸法、形状、位置、製造条件を最適値とする。

ステップＳ５で入力部１０により制約条件データとして緩衝材料を挿入不可とする旨が入力された場合は、ステップＳ６で緩衝材料挿入不可と判断してステップＳ９に進み、各設計データの最適化のみが行われる。

図１８はステップＳ５で制約条件データとして、緩衝材料を挿入可とする旨が入力され且つ緩衝材料はシリコン樹脂を用い、緩衝材料の形状は薄膜状、緩衝材料の挿入位置は圧電素子１５とケース１９との界面とする旨が入力された場合の最適化後の超音波センサを示す断面図である。この場合、ステップＳ７で上記したように緩衝材料の最適化が行われ、最適化計算部１２は緩衝材料の厚さの最適値を５０μｍ以上とすることで要求値を満たすことができると求めたため、図１８に示すように、最適化後の超音波センサは圧電素子１５とケース１９との界面に厚さ５０μｍの緩衝材料２０が挿入された構造になっている。

このように、本発明の実施例２に係る最適設計装置は、入力部１０に最適化前の超音波センサのセンサ構造データ、各構成部品の材料特性データ、製造条件データの各設計データと、制約条件データと、要求値データとを入力し、最適化計算部１２は各設計データと記憶部１１に構築されたデータベースとに基づいて応力を求め、該応力が要求値データを満たしていない場合は、制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つデータベースに基づいて、各設計データを変更して、該応力が要求値データを満たすように設計データを最適化する。

また、最適化計算部１２は、圧電素子１５と該圧電素子１５に隣接する部品の界面に緩衝材料を挿入可とする制約条件データが入力部１０により入力された場合、制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つデータベースに基づいて、緩衝材の材料、形状、寸法、位置を変更して、該応力が要求値データを満たすように緩衝材料を最適化する。出力部１３は最適化された結果を出力するので、センサ構造や構成部品の材料が限定されずに、製造時に各構成部品及び部品界面に発生する応力が緩和された超音波センサの最適化設計を容易に行うことができる。

なお、本発明の最適設計装置は、超音波センサ以外のセンサの最適設計装置として使用してもよい。

また、実施例２に係る最適設計装置を用いて、実施例１に係る超音波センサの設計ができるのは勿論である。

本発明は、流量計用、欠陥検出用、距離測定用等の種々の超音波センサ及びその製造方法ならびにその最適設計装置として利用可能である。

本発明の実施例１に係る超音波センサの断面図である。 緩衝材料の厚さと圧電素子またはケースに発生する応力との関係を示す図である。 補強材料の厚さとセンサ変形の変位との関係を示す図である。 本発明の実施例１に係る超音波センサの製造工程を示す工程図である。 本発明の実施例２に係る超音波センサの最適設計装置の機能構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る超音波センサの最適設計装置による最適化を行う前のセンサ構造を示す図である。 本発明の実施例２に係る超音波センサの最適設計装置に最適化前のセンサ構造データを入力する方法を示す図である。 本発明の実施例２に係る超音波センサの最適設計装置に構成部品の材料特性データを入力する方法を示す図である。 本発明の実施例２に係る超音波センサの最適設計装置に製造条件データを入力する方法を示す図である。 本発明の実施例２に係る超音波センサの最適設計装置に製造条件データを入力する方法を示す図である。 本発明の実施例２に係る超音波センサの最適設計装置に制約条件データを入力する方法を示す図である。 本発明の実施例２に係る超音波センサの最適設計装置に要求値データを入力する方法を示す図である。 線膨脹係数差と、圧電素子またはケースに発生する応力との関係を示す図である。 線膨張係数差と部品界面の応力との関係を示す図である。 本発明の実施例２に係る最適設計装置を用いて超音波センサを最適化設計する方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る最適設計装置を用いて緩衝材料を最適化する方法の一例を示す図である。 本発明の実施例２に係る最適設計装置を用いて圧電素子及びケースの材料を最適化する方法の一例を示す図である。 本発明の実施例２に係る超音波センサの最適設計装置により最適化されたセンサ構造の一例を示す図である。

符号の説明

１、１４ 音響整合層
２、１５ 圧電素子
３、１６ シリコン樹脂
４、１７ エポキシ樹脂
５、１９ ケース
６ 接着剤
７ 緩衝材料
８ 補強材料
９ 超音波送受信方向
１０ 入力部
１１ 記憶部
１２ 最適化計算部
１３ 出力部
１８ 基板
２０ 緩衝材料

Claims (19)

1. 圧電素子と、
   この圧電素子に接合させて形成された音響整合層と、
   前記圧電素子の側面と下面に形成されて前記圧電素子の少なくとも一部を覆い、前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和させるための緩衝部材と、
   前記圧電素子を封止するための封止部材と、
   上部が内側に突起した側壁を有する中空の部材からなり、前記封止部材の少なくとも側面と接し、上面が前記音響整合層に接合するとともに前記緩衝部材を介して前記圧電素子に接合し、前記圧電素子を補強するための補強部材と、
   前記補強部材を覆うケースと、
   を備えることを特徴とする超音波センサ。
2. 前記緩衝部材は、前記音響整合層と前記圧電素子と前記補強部材との中で最も軟質な構成部品よりも軟質な材料からなることを特徴とする請求項1記載の超音波センサ。
3. 前記緩衝部材は、シリコン樹脂からなることを特徴とする請求項２記載の超音波センサ。
4. 前記緩衝部材は、１０〜１００μmの厚さを有することを特徴とする請求項1乃至請求項３のいずれか１項記載の超音波センサ。
5. 前記緩衝部材は、０．００１〜０．０１ＧＰａの縦弾性係数を有することを特徴とする請求項1乃至請求項４のいずれか１項記載の超音波センサ。
6. 前記補強部材は、前記封止部材または前記ケースよりも硬質な金属材料からなることを特徴とする請求項1記載の超音波センサ。
7. 前記補強部材は、前記封止部材または前記ケースよりも硬質な高分子材料からなることを特徴とする請求項1記載の超音波センサ。
8. 圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和させるための緩衝部材を、前記圧電素子の側面及び下面に前記圧電素子の少なくとも一部を覆うように形成する工程と、
   上部が内側に突起した側壁を有する中空の部材からなり且つ前記圧電素子を補強するための補強部材の上面に前記圧電素子を取り付ける工程と、
   前記圧電素子と接合させるとともに前記補強部材の上面に接合させる音響整合層を形成する工程と、
   前記圧電素子を封止するための封止部材を前記補強材料の少なくとも内側面と接するように形成する工程と、
   前記補強部材を覆うようにケースを取り付ける工程と、
   を有することを特徴とする超音波センサの製造方法。
9. 圧電素子と前記圧電素子に接合された音響整合層と前記圧電素子の側面と下面に形成され且つ前記圧電素子の少なくとも一部を覆う緩衝部材と前記圧電素子を封止するための封止部材と前記封止部材を覆うケースとを備える超音波センサを、前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和するように最適化設計する最適設計装置であって、
   前記超音波センサのセンサ構造データ、前記超音波センサを構成する各構成部品の材料特性データ及び製造条件データ、前記超音波センサを最適化する際の制約条件を示す制約条件データ及び超音波センサに要求される応力の許容範囲を示す要求値データを入力する入力手段と、
   前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記応力との関係を示す第１関係データを記憶する記憶手段と、
   前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記記憶手段に記憶された前記第１関係データとに基づいて前記応力を求め、該応力が前記要求値データを満たしていない場合は、前記制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つ前記第１関係データに基づいて、前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データを変更して、該応力が前記要求値データを満たすように前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データを最適化する最適化手段と、
   前記最適化手段により最適化された結果を出力する出力手段と、
   を備えることを特徴とする最適設計装置。
10. 前記記憶手段は、
    前記第１関係データを記憶するとともに前記応力を緩和するために前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との界面に挿入される緩衝部材の材料、形状、寸法、位置と前記応力との関係を示す第２関係データを記憶し、
    前記最適化手段は、
    前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記記憶手段に記憶された前記第１関係データとに基づいて前記応力を求め、該応力が前記要求値データを満たしていない場合で且つ前記制約条件データとして、前記緩衝部材を前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との界面に挿入可とする旨のデータが前記入力手段により入力された場合は、前記制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つ前記第２関係データに基づいて、前記緩衝部材の材料、形状、寸法、位置を変更して、該応力が前記要求値データを満たすように前記緩衝部材を最適化することを特徴とする請求項９記載の最適設計装置。
11. 前記超音波センサのセンサ構造データは、前記各構成部品の形状、寸法及び位置を示すデータを有することを特徴とする請求項９記載の最適設計装置。
12. 前記各構成部品の材料特性データは、化学成分、質量密度、硬さ、溶剤耐性、可とう性、流動性を示す材質データ、縦弾性係数、ポアソン比、引張強さ、靭性を示す機械的特性データ、線膨張係数、熱伝導率、熱伝達率、比熱、キュリー温度、ガラス転移温度、熱分解温度を示す熱的特性データ、導電率、静電容量を示す電気的特性データ、比誘電率、圧電ひずみ定数、圧電応力定数、電気機械結合定数、音響インピーダンスを示す圧電特性データ、構成部品が予め加工されている場合に該加工時の残留応力及び残留ひずみデータを有することを特徴とする請求項９記載の最適設計装置。
13. 前記製造条件データは、前記各構成部品を接合する際の拘束荷重、拘束変位を示す加圧条件データ、製造時に加熱する際の加熱前温度、加熱速度、加熱温度、加熱保持時間、冷却速度、冷却後温度を示す温度条件データの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項９記載の最適設計装置。
14. 前記制約条件データは、前記各構成部品の適用材料の制約または裕度を示すデータ、超音波センサ全体、前記各構成部品の形状・寸法・位置の制約または裕度を示すデータ、製造条件の制約または裕度を示すデータの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項９記載の最適設計装置。
15. 前記要求値データは、前記超音波センサ全体、前記各構成部品、前記各構成部品の界面の少なくとも１つに発生する許容最大応力及び許容最小応力を示すデータを有することを特徴とする請求項９記載の最適設計装置。
16. 前記記憶手段に記憶された関係データは、試験、検査、観察、解析の少なくとも１つによって得られたものであることを特徴とする請求項９記載の最適設計装置。
17. 前記最適化手段は、前記超音波センサに含まれている構成部品を変更することなく前記制約条件データまたは前記要求値データを満たすことができない場合は、前記超音波センサに含まれていない部品を追加または前記超音波センサに含まれている部品を削除することを特徴とする請求項９記載の最適設計装置。
18. 前記出力手段から出力される最適化された結果は、前記超音波センサのセンサ構造データ、前記各構成部品の材料特性データ、前記製造条件データの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９記載の最適設計装置。
19. 前記出力手段から出力される最適化された結果は、前記超音波センサの応力分布、ひずみ分布または変形分布の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９記載の最適設計
    装置。

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