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
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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
【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10−2〜103Pa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/cm2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/cm3、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/cm2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/cm2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/cm3、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/cm2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/cm2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
【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10−2〜103Pa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/cm2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/cm3、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/cm2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/cm2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/cm3、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/cm2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/cm2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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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JP2009069153A (ja) * | 2007-09-10 | 2009-04-02 | Krohne Ag | 超音波センサ |
JP2011043366A (ja) * | 2009-08-20 | 2011-03-03 | Panasonic Corp | 流体の流れ計測装置 |
WO2012144226A1 (ja) * | 2011-04-21 | 2012-10-26 | パナソニック株式会社 | 超音波プローブおよびその製造方法 |
-
2003
- 2003-06-25 JP JP2003181697A patent/JP2005017093A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009069153A (ja) * | 2007-09-10 | 2009-04-02 | Krohne Ag | 超音波センサ |
JP2011043366A (ja) * | 2009-08-20 | 2011-03-03 | Panasonic Corp | 流体の流れ計測装置 |
WO2012144226A1 (ja) * | 2011-04-21 | 2012-10-26 | パナソニック株式会社 | 超音波プローブおよびその製造方法 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060905 |