JPS593079B2 - 超音波プロ−ブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は高温高圧流体を測定するための超音波プロー
フーさらには超音波ビームを発生または検出するための
超音波プローブに関するものである。

このような超音波プローブは通常、配管内を高温ク０
高圧状態で循環する腐食性もしくは非腐食性流体の流速
または流量を計測するのに用いられろ。このようなプロ
ーブは既に知られているが、それらぱ最高使用可能温度
がせいぜい８０度Ｃ）および最高使用可能圧力がせいぜ
い１００バールに□ 限られている。さらに、通常この
ようなプローブは気密の、円筒状一体構造に構成され、
その一端は超音波の発信または受信が可能なように薄い
板で閉じられている。

その薄板は気密であり、圧力や温度に耐え、ｎ プロー
ブとして使われる媒体中で化学的に安定であり、かつま
た超音波をどちら側にもよ〈伝達する透明性を有し、さ
らに良好な方向性をも備えてぃなくてはならない。フラ
ンス特許第２１５０６３０号には、ロケツ３５ 卜燃料
などの５０バールの圧力にもなる管内循環のしかも腐良
性流体の流速および流量を正確に計測する超音波プロー
ブについて述べられている。

このフランス特許によるプローブは保護筒とぶ厚いチユ
ーブ状の単＝エレメントからなり、その一端が薄い板で
閉じられている。チユーブの内面は圧電板と電気的、機
械的に接合しており、圧電板はまた制動筒とも接合関係
にある。保護筒は内部のエレメントを機械的な衝撃や測
定流体の腐食作用から内部エレメントを保護し、他方超
音波ビームを低損失で伝達するものでなくてはならない
。このようなプローブを製造する上での第１の困難は、
厚さ約０．１ｍでしかも全面にわたつて均一な薄板をつ
くることである。第２の困難は、この薄板と圧電板の振
動面を機械的および電気的に接合することである。同時
に圧電板についても計測上の固有特性や高温の被計測媒
体に対する感度の安定性などの点で数々の選択がなされ
てきた。低速流体の、例えば１ｃｒｒ１／Ｓｅｃといつ
たような流速や流量の正確な計測に対してはとくに高感
度の圧電材料が選択される。このような状況では上記フ
ランス特許が有効である。この圧電板はチタン・ジルコ
ン鉛でつくられる。圧電板の振動面と厚肉チユーブの薄
膜とは銀粉を充てんしたエポキシ樹脂などの導電性接着
剤の薄層で固定される。この方法での接合面は１３０度
Ｃの温度まで耐えるので、プローブとしては最高温度１
００度Ｃ、１００バールの圧力まで使用可能である。ま
たフランス特許第２０６３３２４号には高温の溶融金属
中の固体部分の検知を行なう超音波プローブに関して述
べられている。

この超音波プローブは変換器としてのリチウム・ニオブ
製圧電力プセルと、頭部がケース先端部に沿つて曲面状
になつた制動筒とから構成される。圧電力プセルの２つ
の面は銀の被膜とその上に電解によつて形成された銅被
膜の層によつて覆われている。圧電力プセルの１面をケ
ースの薄板部へ固定する手段と、他の面を制動筒へ固定
する手段は銀ロウ溶着によつて行なわれる。ここで注意
しなければならないのは、この接合がリチウム・ニオブ
のようにキユ一り点が１，２００度Ｃもある素材を用い
た圧電力プセルの場合だから可能なことである。

この素材は上記のような物体の検出の目的には十分であ
るが、流体の流速や流量の正確な計測には不向きである
。したがつて、超音波プローブによる高い圧力や温度の
流体の流速や流量の正確な計測を行おうとする課題は、
高感度の圧電材料が一般的に低キユ一り点であるために
ロウ付けが使えず、かといつて高キユ一り点の圧電材料
は感度の点で不十分などの理由から、いまだ解決される
にいたつていないこの発明の主目的な変換器としての圧
電素子の振動面とプローブの先端薄板部を簡単にしかも
安価に接合することである。

この発明の第２の目的は超音波プローブの構造を改善し
、使用可能温度を従来のプローブより高めることである
。

この発明の第３の目的は流体の流速や流量を正確かつ高
感度に計測することのできる超音波プローブを提供する
ことである。

さらに、すぐれた気密構造の圧電プローブを提供するこ
とも可能である。この発明による超音波プローブは、一
端が金属の薄板で閉じられた管状の気密性保護筒で構成
される。

保護筒の内部には変換器である圧電素子と制動筒がおさ
められる。圧電素子の１方の面は機械的・電気的に薄膜
の内部と接合され、他方の面は制動筒に接合されている
。この超音波プローブの大きな特徴は薄板部が陰極スパ
ツタリングによつて得られる金属層で構成されている点
である。この陰極スパツタリングによる金属成長の技術
を薄板部に応用することによつて、薄板部と圧電素子と
の直接接合ないし、素子上にあらかじめ形成された金属
層との接合をより確実にすることができる。このように
することによつて、接合にともなう素子の温度上昇が僅
少におさえられ、薄板は気密にしかも厚さを均一にする
ことができるので、超音波プローブとしての基本特性を
損うことがない。この発明によつて超音波プローブを組
み立てる場合、内部素子は保護筒をたわませることによ
つて固定される。これは陰極スパツタリングの前に行な
う。第１図において、超音波プローブはステンレススチ
ール製の通常円筒状の保護筒１０内に構成される。

筒１０の後部の中空部にはネジ１１が刻まれ、ここには
支持体１２がねじ込まれる。筒１０の中壁１３は筒内を
前部と後部に分けており、中心部に貫通孔１４を有し、
電気的な接続をはかるプラグ１５を貫通させる。プラグ
１５の基板部１６は絶縁板１７によつて筒１０と絶縁さ
れており、またチツ化ボロン製の制動筒１９の後部のく
ぼみの中にセラミツク系またぱエポキシ系接着剤で接着
される。制動筒の前部くぼみ２０の中には変換器である
圧電板２１が設けられる。圧電板２１はジルコン・チタ
ン鉛でつくられ、厚さ約０．５ｒｍである。圧電板２１
の両面には通常の方法で銀電極が設けられている。導線
２２は制動筒１９の中心孔２３を貫通している。導線２
２の一端は圧電板２１の後面に局部的にロウ付けされ、
他端はプラグ１５に接続される。圧電板２１の内側の面
は制動筒１９のくぼみ２０の中にセラミツクス系または
エポキシ系接着剤で接着される。

この超音波プローブは２００度Ｃの温度で使用するよう
設計されているので使用時に保護筒の膨張を受けて内部
素子１５，１９，２１などがゆるまないようにすること
が重要である。

このためプローブ内に収容される圧電板２１、制動筒１
９、プラグ１５などの内部素子は室温状態のまま、あら
かじめ保護筒１０をプローブ使用時の最高温度、例えば
２２０度Ｃに加熱しておいてその中にそう入、固定する
。さらにプローブの前面２４に接する面が長手方向の中
心軸に対して垂直面になるよう修正を施す。

圧電板２１の前面部とプローブの前面部の間に構成され
る薄板は第２図に示すように金属を塗布した真空室３０
内において、１３３ミリパスカルの圧力のアルコジンガ
ス中１雲極スパツタリングで形成される。真空室３０の
中には、２，５００度Ｃに加熱したタングステンフイラ
メントからなる熱陰極３１と、電源３３に接続された陽
極３２とがある。

陰極３１から飛び出した電子は、この陰極３１に対して
＋１００Ｖの電圧が連続的に印加されている陽極３２と
の間の電界中で加速される。Ｂ１とＢ２のコイルはプラ
ズマを集中させるための電界を発生させ、電子の道のり
を引きのばし、ガス分子との衝突によつてイオン化を増
大させる。陰極３４は電源３５に接続され、１ＫＶの負
電圧が印加される。陽極３６には超音波プローブが置か
れ、陰極３４を正対させ、スイツチ３７によつて大地に
接続される。試料表面をイオンで清掃するときにはこの
スイツチで陽極３６を−１００Ｖの電源３８に接続する
。プローブの先端面はアルゴンイノオンの衝突によつて
清浄な面にされ、かつ微細な荒し面とされるので金属膜
の成長を助けその接着をより強固なものにすることがで
きる。

陰極スパツタリングは通常の熟練技術によつて行なうこ
ともできるが、図示した三極管構成によつてよりよく行
なうことができる。

すなわち、陽極３２一陰極３１の組み合わせによつて生
ずるイオン生成の現象と、陰極３４からの遊離物質の生
成現象を分離しているからである。さらによいことは分
極電圧と必要なガス圧力が比較的低くてすむことである
。さらに、金属を成長させようとする面、すなわち超音
波プローブの先端部がプラズマの外側に置かれるため、
金属成長の過程で圧電板２１の表面の温度上昇が少なく
、したがつて圧電材料の特性劣化が防げる。上述した装
置での約１０時間の陰極スパツタリングによつて銅また
はニツケルを主成分とする直径１０ｗｎ、厚さ１４μｍ
の薄膜が得られる。

ひつかきテストや実働状態でのテストが行なわれ、この
方法でつくつた薄膜の高信頼性が実証されている。この
発明によつて作成した超音波プローブは２００度Ｃの温
度サイクルや２００バールの圧力下でもはなはだしい効
率低下がない。

例えばこの発明によるプローブでは実働状態の温度およ
び圧力において、流速０．１から１０ｍ／ｓαの間を絶
対誤差５×１０−３におさえることができる。

またこの発明によつて導電性の制動筒を用いてプローブ
を構成することもできる。

第３図に示す超音波プローブでは、第１図と同一の部材
は同一の番号で示してあり、チツ化ボロン製絶縁環１０
１が保護筒１０内にそう入されている。

絶縁環１０１の底部は保護筒１０の中壁１３の前部に接
合されている。絶縁環１０］中にはプラグ１５の基板部
１６、制動筒１９、圧電板２１がそう入接合される。圧
電板２１はチタン・ジルコン鉛系のセラミツクスでつく
られ、制動筒１９に対し銀粉を充てんしたエポキシン樹
脂などの導電性接着剤１９１によつて接合される。

同様の樹脂がプラグ１５の基板部１６と制動筒１９の接
合に使用される。プローブを構成する内部素子である１
５，１９，２１は室温状態のまま、使用時に予想される
高温状態に加熱された保護筒１０内にそう入される。プ
ローブの先端面２４を平面にそろえたら次に第２図に示
すように陰極スパツタリングによつて金属層を生成させ
る。この発明によればプローブ先端の薄板を、接着剤や
ロウなどのシール剤を使うことなく、圧電板の振動面に
密着して設けることができるので超音波プローブの製造
が容易である。

この薄板作成の技術は、ことに工業生産的に有効であり
、一度に百本のプローブを処理することも可能である。

またこの発明による超音波プローブは−２５０度Ｃもの
液体窒素や液体酸素とか、ジニットエンジンのタービン
用の配管のように１００から１５０バールの高圧力にも
なる流体など、極限状態の計測にも供し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるプローブの要部断面図である。 第２図はプローブ先端部の薄板を製造する装置を示す。
第３図はこの発明による他の実施例を示す要部断面図で
ある。１０・・・保護筒、１３・・・中壁、１４・・・
貫通孔、１５・・・プラグ、１６・・・基板部、１７・
・・絶縁板、１９・・・制動筒、２１・・・圧電板、２
２・・・導線、２４・・・先端面、３１・・・熱イオン
陰極、３２・・・陽極、Ｂｌ，Ｂ２・・・コイル、３４
・・・陰極、３６・・・陽極、３７・・・スイツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高温高圧流体の計測用超音波プローブであつて、気
   密構造の保護筒の先端が金属の薄板で閉じられており、
   変換器である圧電素子は２面のうち１面が陰極スパッタ
   リングによつて得られる金属層である上記薄板に電気的
   機械的に接合している超音波プローブ。 ２ 特許請求の範囲第１項による超音波プローブであつ
   て、その金属層が上記陰極スパッタリングによつて、上
   記圧電素子の表面にあらかじめ設けた金属層の上に生成
   された超音波プローブ。 ３ 特許請求の範囲第１項による超音波プローブであつ
   て、上記金属層が上記陰極スパッタリングによつて上記
   圧電素子の表面に直接生成された超音波プローブ。 ４ 高温高圧流体の計測用超音波プローブであつて、気
   密構造の保護筒の先端が金属層の薄板で閉じられており
   、上記保護筒の内部の素子群のうち変換器である圧電素
   子の１面が、陰極スパッタリングによつて得られる上記
   金属層と機械的電気的に接合されており、上記素子群は
   上記陰極スパッタリングを行なう前にあらかじめ結束さ
   れ上記保護筒内に固定しておく構造の超音波プローブ。 ５ 特許請求の範囲第４項による超音波プローブであつ
   て、上記内部素子群を室温状態においたまま、上記保護
   筒を超音波プローブの実働時の温度まで加熱した状態の
   中へそう入し固定する超音波プローブ。