JP2005017093A - 超音波送受波器およびそれを用いた超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】音響整合部材と圧電振動子、または音響整合部材と振動子ケースを接着する際に、両者の間に介在させる接着剤層に気泡の噛み込みがなく、厚みの均一な接着剤層が得られるようにすることにより、送受信特性の変動の少ない超音波送受波器およびそれを用いた超音波流量計を提供する。
【解決手段】本発明の超音波送受波器は、超音波を送受信する圧電振動子（１）に音響整合部材（６）を接着剤で接合するか、または超音波を送受信する圧電振動子（１）を内包する振動子ケース（８）に音響整合部材（６）を接着剤で接合させた超音波送受波器において、接着剤層（７）が側面に露出しており、音響整合部材（６）と圧電振動子（１）との間、または音響整合部材（６）と振動子ケース（８）との間のいずれかの部分には接触部が存在する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用して気体の流量を測定する流量計測装置や、物体との距離を測定する距離計測装置などに用いる超音波送受波器およびそれを用いた超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超音波が伝播路を伝達する時間を計測し、流体の移動速度を測定してその流量を計測する超音波流量計がガスメータ等に利用されるようになってきた。
【０００３】
従来の超音波送受波器の構成を示す断面図を図１８に示す。超音波送受波器は、超音波を送受信するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等に代表される圧電セラミックスである圧電振動子１、圧電振動子１を内包する金属製の振動子ケース本体２および金属製の振動子ケース蓋３、圧電振動子１に電圧を印加する端子４ａ、４ｂ、振動子ケース蓋３と端子４ａの絶縁をとるとともに振動子ケースを密閉するための絶縁封止材５、圧電振動子１と被検体との音響整合をとるための音響整合部材６６、振動子ケース本体２と音響整合層６６を接着している接着剤６７からなる。
【０００４】
次に、超音波送受波器の動作原理を説明する。圧電振動子１は上下面に電極が形成され（図示せず）、下面電極は端子４ａに、上面電極は振動子ケース本体２に電気的に接続されている。ここで、圧電振動子１の上面電極と振動子ケース本体２は接着剤により接着されている（図示せず）。しかし、接着剤の厚みは非常に薄く（数ミクロン程度）、また、上面電極には凹凸があるために上面電極と振動子ケース本体２の界面の一部は接着剤を介することなく直接接合しているため、両者は電気的に接続している。振動子ケース本体２と振動子ケース蓋３は溶接されており、振動子ケース蓋３は端子４ｂに接続されている。従って、端子４ａと４ｂとの間に電圧が加えられると、圧電振動子１に電圧が加わる。端子４ａと４ｂの間に交流電圧を加えることにより、それに応じて、圧電振動子１は振動する。この振動は振動子ケース本体２に伝播し、これを振動させ、さらに振動子ケース本体２の振動は接着剤６７を介して接着された音響整合部材６６に伝播し、これを振動させる。そして、超音波を被検体に送信する。受信の際は、これと逆の過程で、被検体からの超音波が音響整合部材６６→接着剤６７→金属ケース本体２→圧電振動子１と伝播し、端子４ａ、４ｂとの間で電気的な信号として取り出される。
【０００５】
ところで、超音波の伝播において、その伝播効率を左右する一つの因子として、異種物質間の音響整合性がある。超音波は異種の物質間の界面を透過する際に、物質間の音響インピーダンスの差が大きいほど、その界面で反射され、伝播効率が低下する。気体の流量を測定する超音波流量計においては、圧電振動子から直接気体中に超音波を伝播させようとすると両者の音響インピーダンスの差が著しく大きいために、超音波を効率的に気体中に伝播させることができない。そのため、圧電振動子と気体との音響整合をとる部材（音響整合部材）として、樹脂中にガラスバルーンを混入、硬化させたものが一般的に用いられている。この部材は、圧電振動子の音響インピーダンスと、気体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスを有しており、圧電振動子と、気体との間に介在させることにより、両者間の超音波の伝播を効率良く行うことができる。
【０００６】
一般的に、上述した音響整合部材は、圧電振動子または圧電振動子を内包する振動子ケースに樹脂系の接着剤を用いて、接着、固定される。音響整合部材と、圧電振動子または圧電振動子を内包する振動子ケースがともに平板である場合、接着剤層に気泡を噛み込んだり、余剰な接着剤のために均一な厚みの接着剤層が得られなかったりという不具合が発生する。いずれの場合も、接着剤層における超音波の送受信特性が変動し、同一の送受信特性を有する超音波送受波器を量産する際に、歩留まりの低下の原因となる。
【０００７】
そこで、従来、音響整合部材に貫通孔を設け、圧電振動子と音響整合部材とを接着する際に、気泡および余剰な接着剤を貫通孔から逃がし、均一な厚みの接着剤層を得る方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１３９９１６号公報（第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の方法では音響整合部材および圧電振動子に貫通孔を設け、それぞれの貫通孔が連通するように位置決めした後に接着を行うために、工程が煩雑になり、経済性においても不利であるという課題を有していた。また、超音波送受波器の送受信特性のばらつきを少なくするためには接着に際して均一な厚さの接着剤層が得られるように注意深く接着させることが大切であり、特に接着温度、接着剤の粘度および接着の際の押圧を厳密に管理することが必要であるといった課題があった。
【００１０】
本発明は上記の課題に鑑み、音響整合部材と圧電振動子、または、音響整合部材と振動子ケースを接着する際に、両者の間に介在させる接着剤層に気泡の噛み込みがなく、かつ厚みの均一な接着剤層が得られるように工夫することにより、送受信特性の変動の少ない超音波送受波器およびそれを用いた超音波流量計を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の超音波送受波器は、超音波を送受信する圧電振動子に音響整合部材を接着剤で接合するか、または超音波を送受信する圧電振動子を内包する振動子ケースに音響整合部材を接着剤で接合させた超音波送受波器において、前記接着剤の層が側面に露出しており、前記音響整合部材と圧電振動子との間、または前記音響整合部材と前記振動子ケースとの間のいずれかの部分には接触部が存在することを特徴とする。
【００１２】
本発明の超音波流量計は、前記の超音波送受波器を備えた超音波流量計であって、被測定流体が流れる流路を具備した測定管と、前記測定管に、前記被測定流体の流れの上流側と下流側とに、対向させて配置した一対の前記超音波送受波器と、前記超音波送受波器に超音波を送信させる送信回路と、前記超音波送受波器が受信した超音波信号を処理する受信回路と、前記一対の超音波送受波器の、送信から受信または受信から送信を切り替える送受切替回路と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、前記伝搬時間に基づき、前記被測定流体の流量に換算する演算部を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の超音波送受波器においては、音響整合部材または振動子ケースの接着層部分には、溝が存在してもよい。
【００１４】
また前記音響整合部材または振動子ケースの溝の深さは、接着剤中を伝播する超音波波長の１／１０以下であることが好ましい。
【００１５】
前記音響整合部材または振動子ケースの接着層部分には、凸型のＲ形状が存在してもよい。
【００１６】
前記音響整合部材または振動子ケースの凸部高さの寸法が接着剤中を伝播する超音波波長の１／１０以下であることが好ましい。
【００１７】
また前記音響整合部材と圧電振動子との間、または前記音響整合部材と前記振動子ケースとの間のいずれかの部分には接触部が存在するが、接触部は１箇所であってもよいし、複数箇所存在してもよい。
【００１８】
本発明の構成によれば、音響整合部材と圧電振動子、または、音響整合部材と振動子ケースを接着した時、接着剤層に気泡の噛み込みがほとんどなく、かつ、厚みの均一な接着剤層を簡便な方法で得ることが可能になり、送受信特性に優れ、特性変動の少ない超音波送受波器を提供することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
本発明における第１の実施の形態に係る超音波送受波器の断面図を図１および音響整合部材の拡大断面図を図２にそれぞれ示す。
【００２１】
本実施形態において、超音波送受波器は、超音波を送受信するチタン酸ジルコン酸鉛等に代表される圧電セラミックスである圧電振動子１、圧電振動子１を内包する金属製の振動子ケース本体２および金属製の振動子ケース蓋３、圧電振動子１に電圧を印加する端子４ａ、４ｂ、振動子ケース蓋３と端子４ａの絶縁をとるとともに振動子ケースを密閉するための絶縁封止材５、圧電振動子１と被検体との音響整合をとるための音響整合部材６、振動子ケース本体２と音響整合部材６を接着している接着剤７からなる。本実施形態の構成においては、振動子ケース蓋３に端子４ｂをはんだ付けすることにより当該端子４ｂは電極端子として機能し、また圧電振動子１の下面に形成されている電極（図示せず）に端子４ａをはんだ付けすることにより、端子４ａはもう一方の電極端子として機能する。以上に述べた基本構成は、以下に述べる実施の形態２〜６についても同様の構成となっているので、以下の説明では省略する。
【００２２】
本実施の形態の超音波送受波器は、音響整合部材６が圧電振動子を内包する振動子ケース８の外部の天井に接着剤７で貼付されたものである。本実施の形態においては、音響整合部材６を接着剤７で振動子ケース８に貼付する際に、音響整合部材６と振動子ケース８との間に、外部に露出している接着剤層９が形成され、かつ、外部に通じる溝をあらかじめ設けている。このような構成にすることにより、溝が気泡の逸散を助長させるように作用し、噛み込まれた気泡が溝を通じて外部に抜け出し、その結果、送受信感度の良好な超音波送受波器が得られる。
【００２３】
図１において、振動子ケース蓋３は端子４ｂに接続されている。従って、端子４ａと４ｂとの間に電圧が加えられると、圧電振動子１に電圧が加わる。端子４ａと４ｂの間に交流電圧を加えることにより、それに応じて、圧電振動子１は振動する。この振動は振動子ケース８に伝播し、これを振動させ、さらに振動子ケース８の振動は接着剤層９を介して接着された音響整合部材６に伝播し、これを振動させる。そして、超音波を被検体に送信する。受信の際は、これと逆の過程で、被検体からの超音波が音響整合部材６→接着剤層９→振動子ケース８→圧電振動子１と伝播し、端子４ａ、４ｂとの間で電気的な信号として取り出される。
【００２４】
前記において、接着時に真空ポンプなどを用いて接着部を減圧にすると、気泡の逸散が一段と促進され効果的である。減圧度は１０^−２〜１０^３Ｐａの範囲が好ましい。さらに、接着に際して押圧を十分に加えることにより、接着剤の粘度のばらつきによらずほとんど溝にだけ接着剤が都合よく保持され、余剰の接着剤は溝を通じて、外部に除去される。その結果、接着剤層の厚みは溝の深さで規定され、均一な厚さになり、送受信特性のばらつきが少ない超音波送受波器が得られることになる。この際、押圧は１〜１５ｋｇｆ／ｃｍ^２にすることが好ましい。
【００２５】
溝は図２に示すように、音響整合部材６に複数本の細い溝を設けることによって形成される。こうした溝は音響整合部材６を作製する際に加圧成形を行うことにより形成することが可能であり、平滑な面を有する音響整合部材を作製した後に切削加工行うことによっても可能である。また、射出成型やエンボス加工等により溝を形成することもできる。溝の断面の形状については図２に示すような鋸歯形状に限定されるものではなく、所望量の接着剤を保持できるとともに所望の接着剤層の厚みが得られるような形状を有するものであれば差し支えない。溝は図２においては並行して密に形成されているが、疎であってもかまわない。溝の深さ寸法（図２のｈ１１部）は、接着剤中を伝播する超音波波長の１／１０以下の範囲に設定することが望ましい。溝の深さ寸法を接着剤中を伝播する波長の１／１０より大きくした場合、送受信感度が著しく低下するためである。
【００２６】
（実施の形態２）
本発明における第２の実施の形態に係る超音波送受波器の断面図を図３および音響整合部材の拡大断面図を図４にそれぞれ示す。１６は音響整合部材、１７は接着剤、８は圧電振動子を内包した振動子ケースである。既述したように、実施の形態１においては音響整合部材１６に溝を形成する場合を示したが、音響整合部材１６と振動子ケース８との間に、空隙を設ける方法は、溝に限らず図４に示すように音響整合部材１６の片面（接合面）を凸型のＲ形状にすることにより、音響整合部材１６と振動子ケース８の天井との間に、空隙を形成することも可能である。このような構成にすることにより、溝を形成した場合と同様に、音響整合部材１６を振動子ケース８に貼付する際、接着部を負圧にするとともに十分な押圧を加えることにより、噛み込まれた気泡は周囲の空隙から都合よく逸散させることができ、接着剤層１９の厚みも、凸型のＲ形状の高さ（図４のｈ２１部）によって規定される。この場合、凸型のＲ形状の高さは、既述した溝の場合と同様の理由から、接着剤中を伝播する超音波波長の１／１０以下に設定することが望ましい。
【００２７】
（実施の形態３）
本発明における第３の実施の形態に係る超音波送受波器の断面図を図５および振動子ケースの拡大断面図を図６にそれぞれ示す。２６は音響整合部材、２７は接着剤、８は圧電振動子を内包する振動子ケースである。
【００２８】
本実施の形態では、音響整合部材２６を接着剤２７で振動子ケース８に貼付して接合するに際して、音響整合部材２６と振動子ケース８との間に、接着剤７が保持され、かつ、外部に通じる空隙を設けるにあたり、図６に示すように振動子ケース８の外側面の天井に溝を形成することに特徴がある。このような構成にすることにより、接着剤２７を都合よく溝に保持させることができる。また、本実施の形態においても既述した実施の形態１と同様に、音響整合部材２６を振動子ケース８に接着剤２７で接合する際に、接着部を負圧にするとともに十分な押圧を加えることにより、振動子ケース８に形成された溝が噛み込まれた気泡の流出を助長するように作用し、気泡は容易に逸散される。その結果、送受信感度の良好な超音波送受波器が得られることになる。さらに、音響整合部材２６と振動子ケース８の接着に際して、接合する面に十分な押圧を加えて貼付することにより、概ね溝にだけ都合よく接着剤が保持され、溝の深さで規定された均一な厚さの接着剤層２９が得られることなり、送受信特性においてばらつきの少ない超音波送受波器が得られる。
【００２９】
このような溝は振動子ケース８の天井の外側面に切削加工を施すことにより、形成することが可能である。溝の断面の形状は図６のような鋸歯状に限定されるものではなく、また溝は密に並行して形成しなくてもよく、疎に形成しても差し支えない。溝の深さ（図６のｈ３１部）は、記述した実施の形態１の場合と同様の理由から、接着剤中を伝播する超音波波長の１／１０以下とすることが望ましい。
【００３０】
（実施の形態４）
本発明における第４の実施の形態に係る超音波送受波器の断面図を図７および振動子ケースの拡大断面図を図８にそれぞれ示す。３６は音響整合部材、３７は接着剤、８は圧電振動子を内包する振動子ケースである。
【００３１】
本実施の形態では、振動子ケース８の天井の形状を音響整合部材側に少し突出させた凸型のＲ形状に加工することにより、つまり天井の高さが周囲から天井の中央部に向かって緩やかに高くなるように天井を彎曲させている。このような構成にすることにより、溝を振動子ケースの天井に形成した場合（実施の形態３）と同様に、接着部を負圧にするとともに十分な押圧を加えることにより、気泡は隙間から都合よく逸散させることができる。振動子ケース８の天井に設けられた突出部の高さ（図８のｈ４１部）は既述の天井に溝を設けた場合と同様の理由から、接着剤を伝播する超音波波長の１／１０以下であることが望ましい。
【００３２】
（実施の形態５）
本発明における第５の実施の形態に係る超音波送受波器の断面図を図９および音響整合部材の拡大断面図を図１０にそれぞれ示す。本実施の形態の超音波送受波器は、実施の形態１にて用いた音響整合部材４６が圧電振動子１に接着剤４７で直接的に貼付されたものである。この場合、圧電振動子１の上面電極（図示せず）からの導通は、端子４ｃを圧電振動子１の上面電極にはんだ付けすることによって確保される。また、周囲を取り囲む封止樹脂１０は、圧電振動子１に端子４ａ、４ｃを取付け、片面に溝加工を施した音響整合部材４６と圧電振動子１を接着した後に形成される。以上の構成においても、音響整合部材４６と圧電振動子１を接着する際に、接着部を負圧にするとともに十分な押圧を加えることにより、溝が気泡の逸散を助長させるように作用し、噛み込まれた気泡が溝を通じて外部に抜け出し、溝の深さ（図１０のｈ１１部）で規定された均一な厚さの接着剤層４９が得られるようになる。その結果、送受信感度の良好な超音波送受波器が得られる。
【００３３】
（実施の形態６）
本発明における第６の実施の形態に係る超音波送受波器の断面図を図１１および音響整合部材の拡大断面図を図１２にそれぞれ示す。本実施の形態の超音波送受波器は、実施の形態２にて用いた音響整合部材５６が圧電振動子１に接着剤５７で直接的に貼付されたものである。この場合も実施の形態５と同様に、周囲を取り囲む封止樹脂１０は、圧電振動子に端子４ａ、４ｃを取付け、音響整合部材５６と圧電振動子１を接着した後に形成される。以上の構成においても、片面を凸型のＲ形状に加工した音響整合部材５６と圧電振動子１を接着する際に、接着部を負圧にするとともに十分な押圧を加えることにより、音響整合部材５６の凸型のＲ形状が気泡の逸散を助長させるように作用し、噛み込まれた気泡が溝を通じて外部に抜け出し、凸型のＲ形状の高さ（図１２のｈ２１部）で規定された均一な厚さの接着剤層５９が得られるようになる。その結果、送受信感度の良好な超音波送受波器が得られる。
【００３４】
（実施の形態７）
図１７は本実施の形態７における超音波流量計の一例の断面説明図とそのブロック図である。被測定流体が流れる流路１０３を具備した測定管１０４と、前記測定管に、前記被測定流体の流れの上流側と下流側とに、対向させて配置した一対の前記超音波送受波器１０１および１０２と、前記超音波送受波器に超音波を送信させる送信回路１０５と、前記超音波送受波器に超音波を受信させる受信回路１０６と、前記一対の超音波送受波器の、送信から受信または受信から送信を切り替える送受切替回路１０７と、カウンタ回路とクロック・パルス発生回路から構成される超音波伝搬時間計測回路１０８と、前記伝搬時間に基づき、前記被測定流体の流量に換算する演算部１０９とからなる超音波流量計である。１１０はクロック・パルス発生回路、１１１はカウンタ回路である。
【００３５】
以下、本発明による超音波流量計の動作について順を追って説明する。
【００３６】
非測定流体、例えばＬＰガスを図面左方向から右方向（図中→方向）に流通させ、送信回路１０５より、一定の周期で送信信号を発信させる。送信された信号は、送受切替回路１０７によってまず超音波送受波器１０１に伝達され、同超音波送受波器１０１が駆動される。例えば、駆動周波数は約５００ｋＨｚとする。駆動した超音波送受波器１０１から超音波が送信され、その超音波を対向して設置された超音波送受波器１０２が受信し、受信した信号は送受切替回路１０７を経由し、受信回路１０６に入力される。送信回路１０５からの送信信号（Ｔ）と受信回路１０６からの受信信号（Ｒ）とが、クロック・パルス発生回路１１０およびカウンタ回路１１１から構成される超音波伝搬時間計測回路１０８に入力され、伝搬時間ｔ１が計測される。次に伝搬時間ｔ１の測定と逆に、送受切替回路１０７を用い、超音波送受波器１０２で超音波パルスを送信し、超音渡送受波器１０１で受信することで、超音波伝搬時間計測回路１０８で伝搬時間ｔ２を演算する。
【００３７】
ここで、超音波送受波器１０１と超音渡送受波器１０２の中心を結ぶ距離をＬ、ＬＰガスの無風状態での音速をＣ、流路５１内での流速をＶ、非測定流体の流れの方向と超音波送受波器１０１および１０２の中心を結ぶ線との角度をθとすると、（１）と（２）の式が成り立つ。（１）と（２）の式から、（３）の式が導かれる。距離Ｌ、角度θ、および計測した伝搬時間ｔ１およびｔ２から流速Ｖが求められ、その流速Ｖから流量を調べることができ、流量計を構成できる。
１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ （１）
１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ （２）
（１／ｔ１）−（１／ｔ２）＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ （３）
【００３８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００３９】
（比較例１）
比較例１の超音波送受波器を以下のようにして作製した。圧電振動子を内包した振動子ケースと、音響整合部材と、エポキシ樹脂系接着剤を準備した。振動子ケースには天井の厚みが、０．２ｍｍのステンレス製のものを準備した。音響整合部材には、エポキシ樹脂中にガラスバルーンを混入、硬化させた後、直径１０ｍｍ、厚みを１．２５ｍｍの円板状平板に形状加工したものを準備した。この音響整合部材の密度は０．６ｇ／ｃｍ^３、音速は２５００ｍ／ｓで、音響インピーダンスは１．５Ｍｒａｙｌである。
【００４０】
次に、音響整合部材と振動子ケースの外部の天井を対向させて配置し、接着部として、両者の間に接着用のエポキシ樹脂を介在させた。
【００４１】
次に、音響整合部材と振動子ケースに５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を加えながら、真空ポンプで接着部を１０^−１Ｐａに保持し、脱泡処理を行った。その後、接着部を大気圧に戻し、音響整合部材と振動子ケースに５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を加えながら、１５０℃、２時間の熱処理を行うことにより、エポキシ樹脂を硬化させ、音響整合部材と振動子ケースを接着させた。以上の手順で、図１８に示すような超音波送受波器を作製した。
【００４２】
（実施例１）
比較例１と同一の圧電振動子を内包した振動子ケースと、エポキシ樹脂系接着剤を準備した。音響整合部材としては、比較例１と同組成の直径１０ｍｍ、厚みが１．３０ｍｍの円板状平板を準備した。そして、図２に示すように、音響整合部材の片面が鋸歯状になるように切削加工した。溝の幅（図２のｗ１１部）は０．１ｍｍ、溝の深さ（図２のｈ１１部）は０．０５ｍｍにした。つまり、接着剤層を除いた音響整合層部材のみの厚み（図２のｈ１２部）を、比較例１と同一の１．２５ｍｍとした。
【００４３】
次に、比較例１と同様の方法で、上述した音響整合部材と振動子ケースを接着し、図１に示すような超音波送受波器を作製した。
【００４４】
（実施例２）
比較例１と同一の圧電振動子を内包した振動子ケースと、エポキシ樹脂系接着剤を準備した。音響整合部材としては、比較例１と同組成の直径１０ｍｍ、厚み１．３０ｍｍの円板状平板を準備した。そして、図４に示すように、音響整合部材の片面が凸型形状になるように切削加工した。凸部の高さ（図４のｈ２１部）は、０．０５ｍｍとし、接着剤層を除いた音響整合層部材のみの厚み（図４のｈ２２部）を、比較例１と同一の１．２５ｍｍとした。
【００４５】
次に、比較例１と同様の方法で音響整合部材と振動子ケースを接着し、図３に示すような超音波送受波器を作製した。
【００４６】
（実施例３）
比較例１と同一の音響整合部材と、エポキシ樹脂系接着剤を準備した。圧電振動子を内包した振動子ケースとしては、天井の厚みが０．２５ｍｍのステンレス製のものを準備した。そして、図６に示すように振動子ケースの天井の外側が鋸歯状になるように切削加工した。溝の幅（図６のｗ３１部）は０．１ｍｍ、溝の深さ（図６のｈ３１部）は０．０５ｍｍにした。つまり、接着剤層を除いた振動子ケースのみの厚み（図６のｈ３２部）を、比較例１と同一の０．２ｍｍとした。
【００４７】
次に、比較例１と同様の方法で音響整合部材と振動子ケースを接着し、図５に示すような超音波送受波器を作製した。
【００４８】
（実施例４）
最初に、比較例１と同一の音響整合部材と、エポキシ樹脂系接着剤を準備した。圧電振動子を内包した振動子ケースとしては、天井の厚みが０．２５ｍｍのステンレス製のものを準備した。そして、図８に示すように、振動子ケースの天井面が凸型のＲ形状になるように切削加工した。凸部の高さ（図８のｈ４１部）は０．０５ｍｍにした。つまり、接着剤層を除いた振動子ケースのみの厚み（図８のｈ４２部）を、比較例１と同一の０．２ｍｍとした。
【００４９】
次に、比較例１と同様の方法で音響整合部材と振動子ケースを接着し、図７に示すような超音波送受波器を作製した。
【００５０】
実施例１、２、３、４と比較例１で作製した超音波送受波器ｎ＝１０個ずつの送受信効率を以下のように測定した。測定系の概略図を図１３に示す。１１は超音波送受波器、１２は超音波を反射させるためのステンレス製の反射板で、両者の間は空気である。まず、実施例１、２、３、４と比較例１で作製したそれぞれの超音波送受波器の５ｃｍ前方に反射板を設置する。圧電振動子に周波数５００ｋＨｚ、電圧２０Ｖの交流電圧を加えることにより、超音波送受波器から超音波を空気中に送信する。送信された超音波は反射板で反射され、同一の超音波送受波器で受信される。送信側信号波形と受信側信号波形の一例を図１４に示す。図１４において、受信側信号波形のＡの電圧を測定した結果ならびにその個体間のばらつき（ｎ＝１０）について、（表１）に示す。
【００５１】
【表１】

（表１）から分かるように、ｎ＝１０個中の個体間のばらつきは、比較例に比べて、実施例１、２、３、４のほうが小さくなった。このことより、実施例１、２、３、４では、音響整合部材と振動子ケースとの間に、接着剤が保持され、かつ、外部に通じる空隙を設けたために、両者の接着の際に、気泡の噛み込みがなく、かつ均一な厚みの接着剤層が得られていると考えられる。
【００５２】
次に、接着剤層の厚み（溝の深さまたは凸型の突出部高さ）が超音波の送受信効率に及ぼす影響を調べる実験を行った。
【００５３】
図２に示した音響整合部材を（表２）に示すような形状に加工し、実施例１と同様の接着を行い、超音波送受波器を得た。（表２）では、溝の深さ（ｈ１１）を、接着剤中を伝播する超音波の波長で表したものも同時に記述した（接着剤の音速２５００ｍ／ｓ、超音波の周波数５００ｋＨｚより、超音波波長は５ｍｍ）。
【００５４】
【表２】

それぞれのサンプルにおいて、上述の方法と同様の方法で、超音波の送受信感度を測定した結果を図１５に示す。
【００５５】
図１５から分かるように、音響整合部材に形成する溝の深さ（ｈ１１）が０．５ｍｍ（λ／１０）より大きくなると、送受信感度は急激に低下する。このことより、音響整合部材に形成する溝の深さは、接着剤中を伝播する超音波波長の１／１０以下であることが望ましい。
【００５６】
（比較例２）
比較例２の超音波送受波器を以下のようにして作製した。最初に、圧電振動子と、音響整合部材と、エポキシ樹脂系接着剤と、端子と、シリコン樹脂系封止樹脂を準備した。音響整合部材には、比較例１と同じエポキシ樹脂中にガラスバルーンを混入、硬化させた後、直径１０ｍｍ、厚みを１．２５ｍｍの円板状平板に形状加工したものを準備した。この音響整合部材の密度は０．６ｇ／ｃｍ^３、音速は２５００ｍ／ｓで、音響インピーダンスは１．５Ｍｒａｙｌである。
【００５７】
次に、圧電振動子の上面と下面に端子をはんだ付けした後、音響整合部材と圧電振動子の上面を対向させて配置し、両者の間にエポキシ樹脂を介在させた。
【００５８】
次に、音響整合部材と圧電振動子に５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を加えながら、真空ポンプで接着部を１０^−１Ｐａに保持し、脱泡処理を行った。その後、接着部を大気圧に戻し、音響整合部材と圧電振動子に５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を加えながら、１５０℃、２時間の熱処理を行うことにより、両者を接着させた。
【００５９】
次に、接着した圧電振動子および音響整合部材を金型の中に入れ、その金型にシリコン樹脂を流し込み、硬化させることにより、図１９に示すような超音波送受波器を作製した。
【００６０】
（実施例５）
最初に、比較例２と同一の圧電振動子と、エポキシ樹脂系接着剤と、端子と、シリコン樹脂系封止樹脂を準備した。音響整合部材としては、比較例２と同組成の直径１０ｍｍ、厚みが１．３０ｍｍの円板状平板を準備した。そして、図１０に示すように、音響整合部材の片面が鋸歯状になるように切削加工した。溝の幅（図１０のｗ１１部）は０．１ｍｍ、溝の深さ（図１０のｈ１１部）は０．０５ｍｍにした。つまり、接着剤層を除いた音響整合層部材のみの厚み（図１０のｈ１２部）を、比較例２と同一の１．２５ｍｍとした。
【００６１】
次に、比較例２と同様の方法で音響整合部材と圧電振動子を接着した後、シリコン樹脂で封止し、図９に示すような超音波送受波器を作製した。
【００６２】
（実施例６）
最初に、比較例２と同一の圧電振動子と、エポキシ樹脂系接着剤と、端子と、シリコン樹脂系封止樹脂を準備した。音響整合部材としては、比較例２と同組成の直径１０ｍｍ、厚み１．３０ｍｍの円板状平板を準備した。そして、図１２に示すように、音響整合部材の片面が凸型のＲ形状になるように切削加工した。凸部の高さ（図１２のｈ２１部）は、０．０５ｍｍとし、接着剤層を除いた音響整合層部材のみの厚み（図１２のｈ２２部）を、比較例２と同一の１．２５ｍｍとした。
【００６３】
次に、比較例２と同様の方法で音響整合部材と圧電振動子を接着した後、シリコン樹脂で封止し、図１１に示すような超音波送受波器を作製した。
【００６４】
実施例５、６と比較例２で作製した超音波送受波器ｎ＝１０個ずつの送受信効率を既述の方法で測定した。図１４において、受信側信号波形のＡの電圧を測定した結果ならびにその個体間のばらつき（ｎ＝１０）について、（表３）に示す。
【００６５】
【表３】

（表３）から分かるように、ｎ＝１０個中の個体間のばらつきは、比較例２に比べて、実施例５、６のほうが小さくなった。このことより、実施例５、６では、音響整合部材と振動子ケースとの間に、接着剤が保持され、かつ、外部に通じる空隙を設けたために、両者の接着の際に、気泡の噛み込みがなく、かつ均一な厚みの接着剤層が得られていると考えられる。
【００６６】
次に、接着剤層の厚み（溝の深さまたは凸型の突出部高さ）が超音波の送受信効率に及ぼす影響を調べる実験を行った。
【００６７】
図１０に示した音響整合部材を（表２）に示すような形状に加工し、実施例５と同様の接着を行い、超音波送受波器を得た。（表２）では、溝の深さ（ｈ１１）を、接着剤中を伝播する超音波の波長で表したものも同時に記述した（接着剤の音速２）それぞれのサンプルにおいて、上述の方法と同様の方法で、超音波の送受信感度を測定した結果を図１６に示す。
【００６８】
図１６から分かるように、音響整合部材に形成する溝の深さ（ｈ１１）が０．５ｍｍ（λ／１０）より大きくなると、送受信感度は急激に低下する。このことより、音響整合部材に形成する溝の深さは、接着剤中を伝播する超音波波長の１／１０以下であることが望ましい。
【００６９】
本発明は、接着剤層部分が様々な気体中に曝されるために、音響整合部材と、振動子ケースとの間に強固な接着が必要であり、そのため、必然的に、接着剤層の厚みを厚くしなければならない超音波流量計に特に有効である。
【００７０】
さらに、本発明は、音響整合部材または振動子ケースに鋸歯状の溝を形成する場合は、接着剤層中の音響インピーダンスが振動子ケースから音響整合部材に向かって連続的に小さくなるため、超音波の反射が少なく、その結果、超音波の送受信効率が向上するという別の効果も得られる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明は、側面に接着剤層を露出させたことにより、空隙が噛み込まれた気泡の流出を助長するように作用し、気泡は容易に逸散され、送受信感度の良好な超音波送受波器及び超音波流量計が得られるようになる。また、接着剤が都合よく保持されるため、厚みの均一な接着剤層が形成されるので、得られた超音波送受波器及び超音波流量計の特性のばらつきが小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波送受波器の断面図。
【図２】本発明の実施の形態１における音響整合部材の拡大断面図。
【図３】本発明の実施の形態２における超音波送受波器の断面図。
【図４】本発明の実施の形態２における音響整合部材の拡大断面図。
【図５】本発明の実施の形態３における超音波送受波器の断面図。
【図６】本発明の実施の形態３における振動子ケースの拡大断面図。
【図７】本発明の実施の形態４における超音波送受波器の断面図。
【図８】本発明の実施の形態４における振動子ケースの拡大断面図。
【図９】本発明の実施の形態５における超音波送受波器の断面図。
【図１０】本発明の実施の形態５における音響整合部材の拡大断面図。
【図１１】本発明の実施の形態６における超音波送受波器の断面図。
【図１２】本発明の実施の形態６における音響整合部材の拡大断面図。
【図１３】超音波送受波器の送受信効率測定のための測定系の概略図。
【図１４】超音波送受波器の送受信効率測定時の送信側信号波形および受信側信号波形の一例を示す図。
【図１５】実施例１における音響整合部材の溝の深さに対する受信電圧の変化を表すグラフ。
【図１６】実施例５における音響整合部材の溝の深さに対する受信電圧の変化を表すグラフ。
【図１７】本発明の実施形態７における超音波流量計の動作を説明するブロック図。
【図１８】従来の超音波送受波器の断面図（比較例１の超音波送受波器の断面図）。
【図１９】比較例２の超音波送受波器の断面図。
【符号の説明】
１ 圧電振動子
２ 振動子ケース本体
３ 振動子ケース蓋
４ａ，４ｂ，４ｃ 端子
５ 絶縁封止材
６，１６，２６，３６，４６，５６，６６，７６ 音響整合部材
７，１７，２７，３７，４７，５７，６７，７７ 接着剤
８ 振動子ケース（圧電振動子を内包）
９，１９，２９，３９，４９，５９ 接着剤層
１０ 封止樹脂
１１，１０１，１０２ 超音波送受波器
１２ 反射板
１０３ 流路
１０４ 測定管
１０５ 送信回路
１０６ 受信回路
１０７ 送受切替回路
１０８ 超音波伝搬時間計測回路
１０９ 演算部
１１０ クロック・パルス発生回路
１１１ カウンタ回路

Claims (6)

1. 超音波を送受信する圧電振動子に音響整合部材を接着剤で接合するか、または超音波を送受信する圧電振動子を内包する振動子ケースに音響整合部材を接着剤で接合させた超音波送受波器において、
   前記接着剤の層が側面に露出しており、
   前記音響整合部材と圧電振動子との間、または前記音響整合部材と前記振動子ケースとの間のいずれかの部分には接触部が存在することを特徴とする超音波送受波器。
2. 音響整合部材または振動子ケースの接着層部分には、溝が存在する請求項１に記載の超音波送受波器。
3. 音響整合部材または振動子ケースの溝の深さが、接着剤中を伝播する超音波波長の１／１０以下である請求項２に記載の超音波送受波器。
4. 音響整合部材または振動子ケースの接着層部分には、凸型のＲ形状が存在する請求項１に記載の超音波送受波器。
5. 音響整合部材または振動子ケースの凸部高さの寸法が接着剤中を伝播する超音波波長の１／１０以下である請求項４に記載の超音波送受波器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波送受波器を備えた超音波流量計であって、
   被測定流体が流れる流路を具備した測定管と、
   前記測定管に、前記被測定流体の流れの上流側と下流側とに、対向させて配置した一対の前記超音波送受波器と、
   前記超音波送受波器に超音波を送信させる送信回路と、
   前記超音波送受波器が受信した超音波信号を処理する受信回路と、
   前記一対の超音波送受波器の、送信から受信または受信から送信を切り替える送受切替回路と、
   前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、
   前記伝搬時間に基づき、前記被測定流体の流量に換算する演算部を含むことを特徴とする超音波流量計。

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