(57)【要約】【課題】圧電振動子または圧電振動子を内包する振動子ケースと、音響整合部材とを接着、固定する際に、均一な厚みの接着剤層を得ることにより、超音波の送受信効率の変動を小さくした超音波送受波器を提供する。【解決手段】圧電振動子と、前記圧電振動子と被検体との間に設けられた音響整合部材（６）とを有する超音波送受波器において、圧電振動子または圧電振動子を内包する振動子ケース（１０）と、音響整合部材（６）とを球状フィラー（８）を分散させた樹脂からなる接着剤層（７）で接着し、固定する。好ましくは、球状フィラー（８）の直径を所望の接着剤層（７）の厚みと略同一にすることにより、所望の厚みで、かつ均一な接着剤層（７）を得ることができ、超音波の送受信効率の変動を小さくした超音波送受波器を得ることができる。【選択図】  図１
2004343658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子と、前記圧電振動子と被検体との間に設けられた音響整合部材とを有する超音波送受波器において、前記圧電振動子または前記圧電振動子を内包する振動子ケースと、前記音響整合部材とを球状フィラーを分散させた樹脂からなる接着剤層で接着し、固定したことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項２】
前記接着剤層の厚みが、前記球状フィラーの直径により規定されている請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項３】
前記接着剤層の厚みが、前記接着剤層中を伝播する超音波波長の１０分の１以上、３分の１以下の範囲である請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項４】
前記球状フィラーが、金属粉、酸化物粉、樹脂粉、カーボン粉、樹脂バルーン及びガラスバルーンから選ばれる少なくとも一つである請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項５】
圧電振動子または圧電振動子を内包した振動子ケースと、球状フィラーを分散させた樹脂と、音響整合部材を準備し、前記圧電振動子または圧電振動子を内包した振動子ケース上に前記球状フィラーを分散させた樹脂を塗布し、その上に前記音響整合部材を積層、硬化し、前記圧電振動子または圧電振動子を内包した振動子ケースと、前記音響整合部材とを接着し、固定することを含む超音波送受波器の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載された超音波送受波器を備えた超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【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とその製造方法及びそれを用いた超音波流量計に関するもので、特に、圧電振動子または圧電振動子を内包する振動子ケースと、音響整合部材とを接着、固定する接着剤層に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波送受波器の構成を示す断面図を図６に示す。超音波送受波器は、超音波を送受信する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６、振動子ケース本体２と音響整合層６を接着している接着剤層７からなる。
【０００３】
次に、図６を用いて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。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に電圧が加わることとなる。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の振動は接着剤層７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７→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。
【０００４】
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間に音響整合をとる部材（音響整合部材）が用いられる。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。
【０００５】
また、超音波が異種物質間を伝播していく際に、超音波の伝播効率を左右するもう一つの因子として、それぞれの物質の厚みがある。物質の厚みが変動した場合、異種物質間の界面において超音波の入射波と反射波の干渉状態が変動し、結果的に、超音波の伝播効率が変動する。そのため、上記した音響整合部材は、所望の厚みになるように、研磨等により、精密に厚みを制御して作製される。
上記した超音波送受波器において、超音波の送受信は、
送信：圧電振動子→振動子ケース本体→接着剤層→音響整合部材→被検体
受信：被検体→音響整合部材→接着剤層→振動子ケース本体→圧電振動子
の伝播経路を辿る。この中で、振動子ケース本体と音響整合部材については、製造方法を工夫することによって、比較的容易に、所望の厚みを精度良く得られることができる。しかし、接着剤層については、通常、液状の樹脂を用いるために、その厚みを精度良く得ることが困難である。接着剤層の厚みが変動すると、その部分で超音波の伝播効率が変動し、その結果、超音波送受波器の送受信効率が変動する。そのため、従来、接着剤層の厚みを均一にするために、音響整合部材に管通孔を設け、圧電振動子と音響整合部材を接着する際に、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。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１３９９１６号公報（第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の方法では音響整合部材に貫通孔を設けるために、工程が煩雑になり、経済性においても不利である。また、超音波送受波器の送受信効率の変動を小さくするためには接着に際して均一な厚み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。
【０００８】
上記の課題を鑑み、本発明は、圧電振動子または圧電振動子を内包する振動子ケースと、音響整合部材とを接着、固定する際に、均一な厚みの接着剤層が得られるように工夫することにより、超音波の送受信効率の変動を小さくした超音波送受波器とその製造方法及びそれを用いた超音波流量計を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、圧電振動子と、前記圧電振動子と被検体との間に設けられた音響整合部材とを有する超音波送受波器において、前記圧電振動子または前記圧電振動子を内包する振動子ケースと、前記音響整合部材とを球状フィラーを分散させた樹脂からなる接着剤層で接着し、固定したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の超音波送受波器の製造方法は、圧電振動子または圧電振動子を内包した振動子ケースと、球状フィラーを分散させた樹脂と、音響整合部材を準備し、前記圧電振動子または圧電振動子を内包した振動子ケース上に前記球状フィラーを分散させた樹脂を塗布し、その上に前記音響整合部材を積層、硬化し、前記圧電振動子または圧電振動子を内包した振動子ケースと、前記音響整合部材とを接着し、固定することを含む。
【００１１】
本発明の超音波流量計は、前記のいずれかの超音波送受波器を備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、圧電振動子または圧電振動子を内包する振動子ケースと、音響整合部材とを球状フィラーを分散させた樹脂からなる接着剤層で接着し、固定している。この際に、球状フィラーの直径を所望の接着剤層厚みと略同一にすることが好ましく、所望の厚みで、かつ均一な接着剤層を得ることができ、超音波の送受信効率の変動を小さくした超音波送受波器を得ることができる。前記において、略同一とは、所定の接着剤層厚みの±１０％の範囲をいう。
【００１３】
さらに、接着剤層の厚みを、接着剤中を伝播する超音波波長の１０分の１以上、３分の１以下の範囲に設定することが好ましく、これにより接着剤層自体が音響整合層として機能するようになり、超音波の受信効率が向上した超音波送受波器を得ることができる。球状フィラーとしては、金属粉、酸化物粉、樹脂粉、カーボン粉、樹脂バルーン、ガラスバルーン等を用いることができる。さらに、接着剤層は音響整合部材より、音響インピーダンスが大きい方が好ましい。接着剤層よりも音響整合部材の音響インピーダンスが大きい場合、両者の界面で超音波が反射し、超音波の送受信効率が低下するためである。接着剤層の音響インピーダンスは、音響整合部材の音響インピーダンスよりも１０から１０００倍大きいことが好ましい。
【００１４】
本発明の超音波送受波器の製造方法は、前記振動子ケース上に球状フィラーを分散させた樹脂を塗布し、その上に音響整合部材を積層、硬化し、圧電振動子または圧電振動子を内包した振動子ケースと、音響整合部材とを接着し、固定する。これにより、簡便な方法で、均一な厚みの接着剤層を得ることができ、その結果、超音波の送受信効率の変動が小さい超音波送受波器を得ることができる。
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、本発明の超音波送受波器の一形態における超音波送受波器の断面図である。超音波送受波器の音響整合部材６は、球状フィラー８を含む樹脂９により、振動子ケース１０に接着、固定されている。接着剤層７の厚みは、球状フィラー８の直径で規定されている。
【００１７】
図１に示す超音波送受波器を得る具体的な製造方法を図２に従って、例示する。
【００１８】
最初に、圧電振動子を内包した振動子ケースと、所望の直径を有した球状フィラーを分散させた樹脂と、音響整合部材を準備する。次に、振動子ケース１０の天面に球状フィラー８を分散させた樹脂９を塗布する（図２（ａ））。次に、その塗布した樹脂上に、音響整合部材６を積層し、音響整合部材６と振動子ケース１０を上下から加圧用治具１１ａ、１１ｂで加圧しながら、熱処理を行い、樹脂を硬化させる（図２（ｂ））。最後に、加圧用治具１１から取り外し、図２（ｃ）に示した超音波送受波器１２を得る。接着時に、接着剤層中に気泡が噛み込む場合は、真空ポンプなどを用いて接着部を負圧にすると、接着剤層中の気泡が脱泡され、気泡の噛み込みを抑制することができる。
【００１９】
【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制限されるものではない。
【００２０】
（実施例１）
実施例１の超音波送受波器を以下のようにして作製した。最初に、圧電振動子を内包したステンレス製の振動子ケースと、音響整合部材を準備した。音響整合部材にはケイ酸水溶液を乾燥して作製したシリカ乾燥ゲルを用いた（密度０．２ｇ／ｃｍ３、音速２００ｍ／ｓ、音響インピーダンス０．０４Ｍｒａｙｌ）。上記、シリカ乾燥ゲルを直径１０ｍｍ、厚み０．１ｍｍの円板状に加工し、音響整合部材とした。
【００２１】
次に、直径５０μｍの球状エポキシ樹脂硬化物を５０ｗｔ％分散させた液状エポキシ樹脂を準備した。ここで、液状エポキシ樹脂には、球状エポキシ硬化物と同材料のものを使用した。液状エポキシ硬化後の接着剤層の密度は１．２ｇ／ｃｍ３、音速は２５００ｍ／ｓ、音響インピーダンスは３．０Ｍｒａｙｌである。
【００２２】
次に、上記液状エポキシ樹脂を金属ケースの天面（直径１２ｍｍφ）に厚みが約６０μｍになるように塗布した。次に、その上に、上記音響整合部材を積層し、０．５ｋｇ／ｃｍ２の圧力をかけつつ、１５０℃、２時間の熱処理を行うことにより振動子ケースと音響整合部材を接着して、超音波送受波器を得た。
【００２３】
（比較例１）
実施例１において、液状エポキシ樹脂中に球状エポキシ樹脂硬化物を分散させなかったこと以外は実施例１と同様の方法で超音波送受波器を得た。比較例における接着剤層の密度は１．２ｇ／ｃｍ３、音速は２５００ｍ／ｓ、音響インピーダンスは３．０Ｍｒａｙｌで、実施例１と同一である。
【００２４】
実施例１と比較例で作製した超音波送受波器ｎ＝２０個ずつの送受信効率を以下のように測定した。測定系の概略を図３に示す。１２は超音波送受波器、１３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と比較例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４に示す。図４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＝２０）について、（表１）に示す。
【００２５】
【表１】
2004343658.tif 000003
【００２６】
（表１）から分かるように、受信電圧Ａの平均値は、両者でほぼ同一であった。しかし、ｎ＝２０個中の個体間のばらつきは、球状フィラーを含まない樹脂で接着した比較例に比べて、球状フィラーを分散させた樹脂で接着した実施例１のほうが小さくなった。この理由を明らかにするために、実施例１、比較例１それぞれの超音波送受波器を断面研磨し、接着剤層の厚みを測定した。その結果、比較例では接着剤層の厚みの平均値が４６．８μｍ、標準偏差σが５．２μｍであったのに対して、実施例１では平均値が４９．５μｍ、標準偏差σが２．２μｍであった。このことより、実施例１と比較例１における個体間の受信電圧のばらつきの差は接着剤層の厚みのばらつきに起因したものであると推定される。
【００２７】
（実施例２）
実施例１における球状フィラーである球状エポキシ硬化物の直径を５０μｍ、１００μｍ、５００μｍ、１ｍｍ、１．２５ｍｍ、１．７ｍｍ、２．５ｍｍにしたこと以外は、実施例１と同様の方法で作製した７種類の超音波送受波器を準備した。ここで、７種類の超音波送受波器の接着剤層厚みは、接着剤層を伝播する超音波波長λ＝５ｍｍに対して、５０μｍでは１００分の１、１００μｍでは５０分の１、５００μｍでは１０分の１、１ｍｍでは５分の１、１．２５ｍｍでは４分の１、１．７ｍｍでは３分の１、２．５ｍｍでは２分の１である。
【００２８】
次に、上述した方法で、これら７種類の超音波送受波器の送受信効率を測定した。図４における受信側信号波形のＡの電圧を測定した結果を図５に示す。
【００２９】
図５から分かるように、受信電圧Ａは、５００μｍ（１０分の１波長）から１７００μｍ（３分の１波長）の間で大きくなっている。これは、この厚み範囲で、接着剤層自身が音響整合層として機能し、その結果、超音波送受波器の送受信効率が向上したためであると考えられる。つまり、球状フィラーを用いて接着剤層の厚みを１０分の１波長以上３分の１波長以下に制御することにより、接着剤層厚みが均一でなおかつ超音波の送受信効率が向上した超音波送受波器を得ることができる。
【００３０】
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振動子ケースと、音響整合部材との間に強固な接着が必要で、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。
【００３１】
なお、今回の実施例では、圧電振動子を内包する振動子ケースと、音響整合部材との接着に関して述べたが、圧電振動子上に直接、音響整合部材を接着する際にも同様の効果が得られる。
【００３２】
また、球状フィラーとして球状エポキシ硬化物を用いた例で説明したが、球状フィラーとして、金属粉、酸化物粉、樹脂粉、カーボン粉、樹脂バルーン、ガラスバルーンを用いても同様の効果が得られ、適用がこの実施例に限定されるものではない。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、簡便な方法で、圧電振動子または圧電振動子を内包する振動子ケースと、音響整合部材とを接着、固定する際に、均一な厚みの接着剤層が得られるようになり、超音波の送受信効率の変動を小さくした超音波送受波器とその製造方法及びそれを用いた超音波流量計を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における超音波送受波器の断面図
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施例における超音波送受波器の製造工程図
【図３】本発明の一実施の形態における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４】本発明の一実施の形態における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５】本発明の一実施の形態における接着剤層の厚みに対する受信電圧Ａの変化を表すグラフ
【図６】従来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  端子
５  絶縁封止材
６  音響整合部材
７  接着剤層
８  球状フィラー
９  樹脂
１０  振動子ケース
１１ａ，１１ｂ  加圧治具
１２  超音波送受波器
１３  反射板
【図１】
2004343658.tif 000004
【図２】
2004343658.tif 000005
【図３】
2004343658.tif 000006
【図４】
2004343658.tif 000007
【図５】
2004343658.tif 000008
【図６】
2004343658.tif 000009