(57)【要約】      （修正有）【課題】低温熱処理下で、形状が安定し応力腐食割れを無くし、長期信頼性と優れた生産性でもって超音波振動子を製造することができる、超音波振動子用製造冶具及び超音波振動子の製造方法を提供する。【解決手段】下冶具２３と上冶具２４Ａとの間で、ケース２の１つの面に接着剤を介して圧電体を加圧した加圧状態を保持可能であり、この加圧状態で低温熱処理を施すことで、圧電体とケースとを接着剤により加圧接着させるとともに、低温熱処理によって応力を緩和させる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも有底筒状金属ケース（２）と、
上記ケースの１つの面（３）に接着剤（３１）により設けられた圧電体（６）を備える超音波振動子（１）、又は、圧電体（６）が接着剤（３１）により設けられた上記ケースの１つの面の反対側の面に音響整合層（４）が接着剤（３２）により設けられる超音波振動子（１）を製造する超音波振動子製造用冶具において、
少なくとも、上記圧電体を保持する圧電体保持用凹部（２３ｃ）と、上記圧電体保持用凹部を有しかつ上記圧電体保持用凹部内に保持された上記圧電体と上記ケースの上記１つの面の内面とを上記接着剤（３１）を介して接着させた状態を保持可能なケース保持部（２３ａ）とを有する下冶具（２３，２３Ｃ）と、上記下冶具に対向して配置されかつ上記下冶具との間で上記ケースを挟持可能な上冶具（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｅ）とを備えて、
上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの上記１つの面に上記接着剤（３１）を介して上記圧電体（６）を加圧した加圧状態、又は、上記接着剤（３１）を介して上記ケースの上記１つの面に上記圧電体（６）を加圧しかつその反対側の面に上記接着剤（３２）を介して上記音響整合層（４）を加圧した加圧状態を保持可能であり、この加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能、又は、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能と、上記低温熱処理によって応力を緩和する機能を発揮することを特徴とする超音波振動子製造用冶具。
【請求項２】
少なくとも有底筒状金属ケース（２）と、
上記ケースの１つの面に接着剤（３１）により設けられた圧電体（６）を備える超音波振動子（１）、又は、圧電体（６）が接着剤（３１）により設けられた上記ケースの１つの面の反対側の面に音響整合層（４）が接着剤（３２）により設けられる超音波振動子（１）を製造する超音波振動子製造用冶具において、
少なくとも上記ケースを支える下冶具（２３，２３Ｃ）と、上記下冶具に対向して設けられた上冶具（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｅ）と、上記ケースの厚み方向に対して上記ケースの１つの面の両面側から上記上冶具と上記下冶具とで挟み込むように圧力を加えることが可能な加圧力を上記上冶具と上記下冶具とに作用させる加圧部材（２５）とを備えて、上記加圧部材により上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの上記１つの面に上記接着剤（３１）を介して上記圧電体（６）を加圧した加圧状態、又は、上記接着剤（３１）を介して上記ケースの上記１つの面に上記圧電体（６）を加圧しかつその反対側の面に上記接着剤（３２）を介して上記音響整合層（４）を加圧した加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能、又は、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能と、上記ケースの形状を修正する機能と、上記低温熱処理によって応力を緩和する機能とを有することを特徴とする超音波振動子製造用冶具。
【請求項３】
上記低温熱処理の温度プロファイルは、上記接着剤の加熱硬化温度プロファイルと同じである請求項１又は２に記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項４】
上記下冶具は、少なくとも上記圧電体を上記ケースに対して位置決め保持する位置決め部（２３ｃ）を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項５】
上記下冶具は、少なくとも上記圧電体を上記ケースに対して位置決め保持する位置決め部（２３ｃ）を有して、少なくとも上記圧電体に上記接着剤を塗布するための接着剤塗布用圧電体保持冶具として機能する請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項６】
上記上冶具は、少なくとも上記音響整合層を上記ケースに対して位置決め保持する位置決め部（４５）を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項７】
上記上冶具は、少なくとも厚み方向に貫通して熱処理時の熱風が通過可能な複数の貫通開口（２４ｄ）を有する請求項１又は２に記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項８】
上記下冶具又は上記上冶具は、上記下冶具と上記上冶具とを上記ケースを挟んで加圧状態とする加圧部材（２５）を具備する請求項１〜７のいずれか１つに記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項９】
上記加圧部材（２５）はバネである請求項８に記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項１０】
上記上冶具の天面の内面と、上記下冶具の上面の外面とは、上記ケースの天面において、上記ケースの曲部を含んで上記曲部から２割以上の面積において加圧荷重が加わるように寸法構成されている請求項１〜９のいずれか１つに記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項１１】
上記熱処理に用いられる超音波振動子製造用冶具は、耐荷重が５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上である請求項１〜１０のいずれか１つに記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項１２】
上記熱処理に用いられる冶具は、耐熱温度が３００℃を超える温度である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項１３】
上記熱処理に用いられる超音波振動子製造用冶具は、熱膨張係数が上記ケースの材料の熱膨張係数以下である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項１４】
上記上冶具及び上記下冶具は金属で構成されている請求項１〜１１のいずれか１つに記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項１５】
上記加圧部分の硬度は上記ケースの材料の硬度以上である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項１６】
上記下冶具と上記上冶具とを少なくとも複数組備える請求項１〜１５のいずれか１つに記載の超音波振動子製造用冶具。
【請求項１７】
超音波振動子製造用冶具の下冶具（２３，２３Ｃ）と上記下冶具に対向して設けられた上冶具（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｅ）との間に、少なくとも有底筒状金属ケース（２）を上記下冶具で支持するように配置し、
次いで、上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの１つの面に接着剤（３１）を介して圧電体（６）を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和するか、又は、接着剤（３１）を介して上記ケースの１つの面に圧電体（６）を加圧しかつその反対側の面に接着剤（３２）を介して音響整合層（４）を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和することにより、
上記ケース（２）の上記１つの面に上記接着剤（３１）により上記圧電体（６）が設けられる超音波振動子（１）、又は、上記圧電体（６）が上記接着剤（３１）により上記ケースの上記１つの面に設けられかつその１つの面の反対側の面に上記音響整合層（４）が上記接着剤（３２）により設けられる超音波振動子（１）を製造する超音波振動子の製造方法。
【請求項１８】
超音波振動子製造用冶具の下冶具（２３，２３Ｃ）と上記下冶具に対向して設けられた上冶具（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｅ）との間に、少なくとも有底筒状金属ケース（２）を上記下冶具で支持するように配置し、
次いで、上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの厚み方向に対して上記ケースの１つの面の両面側から上記上冶具と上記下冶具とで挟み込むように加圧部材（２５）により圧力を加えて、上記ケースの１つの面に接着剤（３１）を介して圧電体（６）を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和するか、又は、接着剤（３１）を介して上記ケースの１つの面に圧電体（６）を加圧しかつその反対側の面に接着剤（３２）を介して音響整合層（４）を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和することにより、
上記ケース（２）の上記１つの面に上記接着剤（３１）により上記圧電体（６）が設けられる超音波振動子（１）、又は、上記圧電体（６）が上記接着剤（３１）により上記ケースの上記１つの面に設けられかつその１つの面の反対側の面に上記音響整合層（４）が上記接着剤（３２）により設けられる超音波振動子（１）を製造する超音波振動子の製造方法。
【請求項１９】
上記低温熱処理の温度プロファイルは、上記接着剤の加熱硬化温度プロファイルと同じである請求項１７又は１８に記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項２０】
上記下冶具（２３，２３Ｃ）と上冶具（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｅ）との間に、少なくとも上記有底筒状金属ケース（２）を上記下冶具で支持するように配置するとき、
上記下冶具は、少なくとも上記圧電体を位置決め保持する請求項１７〜１９のいずれか１つに記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項２１】
上記下冶具（２３，２３Ｃ）と上冶具（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｅ）との間に、少なくとも上記有底筒状金属ケース（２）を上記下冶具で支持するように配置する前に、
上記下冶具を接着剤塗布用圧電体保持冶具として使用して、上記下冶具に支持された上記圧電体に上記接着剤を塗布する請求項１７〜２０のいずれか１つに記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項２２】
上記下冶具（２３，２３Ｃ）と上冶具（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｅ）との間に、少なくとも上記有底筒状金属ケース（２）を上記下冶具で支持するように配置するとき、
上記上冶具は、少なくとも上記音響整合層を位置決め保持請求項１７〜２１のいずれか１つに記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項２３】
上記低温熱処理を施すとき、上記上冶具の厚み方向に貫通した複数の貫通開口（２４ｄ）を熱風が通過して上記超音波振動子製造用冶具及び上記ケースを加熱する請求項１７〜２２のいずれか１つに記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項２４】
加圧部材（２５）により、上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの上記１つの面に上記接着剤（３１）を介して上記圧電体（６）を加圧する請求項１７〜２３のいずれか１つに記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項２５】
上記加圧部材はバネ（２５）であり、上記バネの付勢力により、上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの上記１つの面に上記接着剤（３１）を介して上記圧電体（６）を加圧する請求項２４に記載の超音波振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有底筒状ケースを用いた超音波振動子の超音波振動子製造用冶具（治具、ジグ）及び超音波振動子のの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波振動子用のケースは、圧電振動子などを収容するケースで、通常、真空又は不活性ガスで置換され封止される。超音波振動子用のケース材料は、超音波振動子が主に気体や液体等の流体の速度を計測するために用いられるため、ケース表面は測定対象の気体及び液体にさらされる。例えば都市ガス等のガスメータに使用される場合は、ガス漏れなどの事故に対する安全性や１０年以上連続使用されることから、現状の電子部品以上の長期信頼性が要求される。特に、最近では連続使用期間が１０年から２０年に移行する動きが業界であり、更なる長期信頼性が要望されている。また、「特定計量器検定検査規則」の第１０章「ガスメータ」の第四百五十九条（漏えい試験）ではガスに関して漏洩と水の浸入についての検査及び規定は厳しく記されている。
【０００３】
また、ガスメーカーの仕様書においても、圧力スイッチなどについては、ガスに接する部分の主要材料は、資源エネルギー庁ガス事業課及びガス技術安全課が定めたガス事業法令「ガス工作物の技術上の基準の細目を定める告示第８４条の規格に適合する耐ガス性、耐食性を有する金属材料であること」と規定されている。
【０００４】
そのため、ガスに接するケース部材は、同様に加工や衝撃等による機械的破損や気温、酸性雨などの環境的要因による腐食が許されない。従って、強度、加工性、耐ガス性、耐食性、耐応力腐食割れ性、溶接性に優れていることが要求される。一方、従来のセンサーに関しては、一体成形された樹脂、焼結ケースや切削によって切り出した切削ケース、繋ぎ目を溶接で加工したケース等が一般に用いられていて、上記安全面や長期信頼性について考慮された材料や構造ではなかった。
【０００５】
特許文献１には有天筒状ケースを用いた超音波振動子が挙げられているが、有天筒状ケースはケース天面を振動板として用いるため加工精度が要求され、プレス成型や切削などで作製されるが、内部応力を含むために応力腐食割れの発生や加工精度が得られにくいという課題があった。応力腐食割れ発生を防ぐための手段としては、特許文献２に示される熱処理による応力緩和法が、形状修正においては、特許文献３などがあるが、どちらも２００℃程度の低温では効果が得られるものではなかった。また、応力緩和が主たる目的で、形状修正と応力緩和又は接着工程までも含んだ工程では実現できなかった。
【０００６】
【特許文献１】
実開平４−９４８９８号公報
【特許文献２】
特開平５−３１７９８３号公報
【特許文献３】
特開２０００−２１２６４２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
有底筒状ケースは、ケース天面に圧電体又は音響整合層を接着し、接着面と振動板の両方の目的で用いられるため非常に加工精度が要求される。例えば、接着面としては、接着剤によってできるだけ接着層を均一に接着し、しかも接着強度も安定する必要がある。また、音響的な振動板としては、できるだけケース天面が形状、厚みなど均一に加工される必要がある。加工には量産性を考慮して、高速プレスが用いられることが多いが、上記加工精度をケース天面に要求する場合には、ケース天面の均一加工から非常に加工応力を全体に蓄積し易く、特に曲部付近に応力腐食割れを生じやすい。
【０００８】
一方、樹脂ケースは耐湿性が低く耐久性に欠け、焼結ケースは衝撃に弱く加工精度が悪い。また、樹脂ケース、焼結ケースに関しては、機密性が低く安全面や長期信頼性について保証が難しいという欠点がある。切削ケースについては、精密加工を伴うことから加工性に優れた材料の真鍮などが用いられる。しかし、真鍮のような加工性に優れた材料は耐食性に劣る材料が多く、耐食性を高めるために加工後、メッキ処理などを表面に施す必要がある。そのため、工程数が多くなり加工賃が非常に高くなるという欠点があった。また、切削に耐食性の良好なステンレス鋼を用いた場合でも、天面の厚みは音響的にできるだけ薄くすることが要求され、そのため、加工によって歪むことが多く、これも応力腐食割れを生じやすかった。
【０００９】
また、振動板とケースの筒部分が独立した流路を流れる流体に対して繋ぎ目があるケースにおいては、溶接によって有天筒状ケースとされるが、溶接部分はステンレス鋼であっても溶接部にクロム（Ｃｒ）が欠乏しやすく、そのため、腐食割れが生じやすい。以上から溶接部の長期信頼性において疑わしい。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、低コスト、強度、加工性、耐ガス性、耐食性、耐応力腐食割れ性に優れたケース材料を使用し、流路を流れる流体に対して繋ぎ目のない加工で作成したケースを用いて例えばプレス成型又は切削加工によって作製された有底筒状ケースを、低温熱処理下で、形状が安定し応力腐食割れを無くし、長期信頼性と優れた生産性でもって超音波振動子を製造することができる、超音波振動子用製造冶具、及び、その冶具を使用して超音波振動子を製造することができる超音波振動子の製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１２】
本発明の１つの態様によれば、少なくとも有底筒状金属ケースと、
上記ケースの１つの面に接着剤により設けられた圧電体を備える超音波振動子、又は、圧電体が接着剤により設けられた上記ケースの１つの面の反対側の面に音響整合層が接着剤により設けられる超音波振動子を製造する超音波振動子製造用冶具において、
少なくとも、上記圧電体を保持する圧電体保持用凹部と、上記圧電体保持用凹部を有しかつ上記圧電体保持用凹部内に保持された上記圧電体と上記ケースの上記１つの面の内面とを上記接着剤を介して接着させた状態を保持可能なケース保持部とを有する下冶具と、上記下冶具に対向して配置されかつ上記下冶具との間で上記ケースを挟持可能な上冶具とを備えて、
上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの上記１つの面に上記接着剤を介して上記圧電体を加圧した加圧状態、又は、上記接着剤を介して上記ケースの上記１つの面に上記圧電体を加圧しかつその反対側の面に上記接着剤を介して上記音響整合層を加圧した加圧状態を保持可能であり、この加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能、又は、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能と、上記低温熱処理によって応力を緩和する機能を発揮することを特徴とする超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、少なくとも有底筒状金属ケースと、
上記ケースの１つの面に接着剤により設けられた圧電体を備える超音波振動子、又は、圧電体が接着剤により設けられた上記ケースの１つの面の反対側の面に音響整合層が接着剤により設けられる超音波振動子を製造する超音波振動子製造用冶具において、
少なくとも上記ケースを支える下冶具と、上記下冶具に対向して設けられた上冶具と、上記ケースの厚み方向に対して上記ケースの１つの面の両面側から上記上冶具と上記下冶具とで挟み込むように圧力を加えることが可能な加圧力を上記上冶具と上記下冶具とに作用させる加圧部材とを備えて、上記加圧部材により上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの上記１つの面に上記接着剤を介して上記圧電体を加圧した加圧状態、又は、上記接着剤を介して上記ケースの上記１つの面に上記圧電体を加圧しかつその反対側の面に上記接着剤を介して上記音響整合層を加圧した加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能、又は、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能と、上記ケースの形状を修正する機能と、上記低温熱処理によって応力を緩和する機能とを有することを特徴とする超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００１４】
本発明のさらに別の態様によれば、超音波振動子製造用冶具の下冶具と上記下冶具に対向して設けられた上冶具との間に、少なくとも有底筒状金属ケースを上記下冶具で支持するように配置し、
次いで、上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの１つの面に接着剤を介して圧電体を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和するか、又は、接着剤を介して上記ケースの１つの面に圧電体を加圧しかつその反対側の面に接着剤を介して音響整合層を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和することにより、
上記ケースの上記１つの面に上記接着剤により上記圧電体が設けられる超音波振動子、又は、上記圧電体が上記接着剤により上記ケースの上記１つの面に設けられかつその１つの面の反対側の面に上記音響整合層が上記接着剤により設けられる超音波振動子を製造する超音波振動子の製造方法を提供する。
【００１５】
本発明のさらに別の態様によれば、超音波振動子製造用冶具の下冶具と上記下冶具に対向して設けられた上冶具との間に、少なくとも有底筒状金属ケースを上記下冶具で支持するように配置し、
次いで、上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの厚み方向に対して上記ケースの１つの面の両面側から上記上冶具と上記下冶具とで挟み込むように加圧部材により圧力を加えて、上記ケースの１つの面に接着剤を介して圧電体を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和するか、又は、接着剤を介して上記ケースの１つの面に圧電体を加圧しかつその反対側の面に接着剤を介して音響整合層を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和することにより、
上記ケースの上記１つの面に上記接着剤により上記圧電体が設けられる超音波振動子、又は、上記圧電体が上記接着剤により上記ケースの上記１つの面に設けられかつその１つの面の反対側の面に上記音響整合層が上記接着剤により設けられる超音波振動子を製造する超音波振動子の製造方法を提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１に本発明の実施形態の、超音波振動子の製造方法に使用される超音波振動子用製造冶具を用いて作製された超音波振動子の外観図、図２にその断面図、図３、図４に流路の断面図を示す。
【００１８】
図１において、超音波振動子１は、ケース天面３とケースフランジ部としての支持部５とを有する有底筒状金属ケース２と、上記ケース天面３の内壁面に接着剤３１を介して配置された圧電体６と、上記ケース天面３の外壁面に接着剤３２を介して配置された音響整合層４（ただし、音響整合層４がある場合）とで大略構成されている。図２において、超音波振動子１は、さらに、上記支持部５に固定された端子板７と、上記端子板７に設けられた端子８ａ、８ｂと、上記端子８ａ、８ｂを絶縁する絶縁物９と、上記圧電体６と上記端子８ａを電気的に接続するための導電性ゴム１０とを備えている。圧電体６は、ケース２と端子板７で密閉された空間内に配置され、ケース２と端子板７とで囲まれた密閉空間は、空気が不活性ガスで置換された状態で密閉されている。
【００１９】
なお、音響整合層４は、必要に応じて、ケース２の天面３に配置される。例えば、気体用として使用する場合には音響整合層４を備えるが、液体用として使用する場合には音響整合層４は不要となる。これは、以後の実施形態などでも同様である。
【００２０】
上記有底筒状金属ケースは、筒体の一端に筒体開口を閉塞する底面が一体的に形成されたものであって、切削加工又は精密プレス加工により底面を形成する一体成型加工によって作製したのち、加工後に加工油を完全に除去し、その後、応力腐食割れを防ぐために低温熱処理を施すことにより製造されている。加工法として切削加工よりも精密プレス法を用いるときには、大量に同じ品質のケースを作成可能になり、低コスト化が実現できる。
【００２１】
図３に、超音波振動子１を備えた超音波流量計１００が配置された、流量測定対象の流体の流路の断面図を示す。
【００２２】
超音波流量計１００の概略構成を示すと、ガスなどの被測定流体が供給される供給管と連結した入口路１００ａから流入された被測定流体の流量を測定する流量測定部１１と、流量測定部１１と連通し、被測定流体を外部へ導く出口路１００ｂと、この流量測定部１１に設けられて超音波を送受信する一対の超音波振動子１７、１８（それぞれは超音波振動子１に対応する。）と、超音波振動子１７、１８間の伝搬時間を計測する計測回路（図示せず）と、計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段（図示せず）とを備えている。よって、一方の超音波振動子１７から他方の超音波振動子１８に向けて超音波を送信し、ガスなどの被測定流体を通過した超音波が上記他方の超音波振動子１８で受信されることにより、計測回路で超音波振動子１７、１８間の伝搬時間を計測する。次いで、逆に、上記他方の超音波振動子１７から上記一方の超音波振動子１８に向けて超音波を送信し、ガスなどの被測定流体を通過した超音波が上記一方の超音波振動子１８で受信されることにより、計測回路で超音波振動子１７、１８間の伝搬時間を計測する。このように所定回数だけ、上記一対の超音波振動子１７、１８間で超音波の伝搬時間を計測し、流量演算手段でその平均値を基に、ガスなどの被測定流体の流量を算出するようにしている。よって、各超音波振動子１７，１８は送受信を行えるようにしている。
【００２３】
実例として、流量測定部１１を構成する材料は、ＬＰガスや天然ガスを流量計測する家庭用ガスメータを想定してアルミニウム合金ダイカストとしする。側壁部１２、１３の端面に例えばコルク材からなるシール材１４を介して上板部１５をネジ止めして、流路断面１６が矩形の流量測定部１１を構成する。また、超音波振動子１７、１８は、超音波を発信・受信する送受波面が相対するよう側壁部１２、１３に斜めに設けられている。具体的には、側壁部１２、１３に設けられた超音波振動子１７、１８の振動子取り付け穴１９、２０に例えばＯリングからなるシール材２１、２２を介して固定する。これは１つの実例であり、本発明はこれに限られるものではない。
【００２４】
本発明の第１実施形態にかかる、超音波振動子の製造方法に使用される超音波振動子製造用冶具は、少なくとも、上記圧電体６を保持する圧電体保持用凹部２３ｃと、上記圧電体保持用凹部２３ｃを有しかつ上記圧電体保持用凹部２３ｃ内に保持された上記圧電体６と上記有底状ケース２の上記１つの面（例えば天面３）の内面とを上記接着剤３１を介して接着させた状態を保持可能なケース保持部２３ａとを有する下冶具２３と、上記下冶具２３に対向可能に配置されかつ上記下冶具２３との間で上記ケース２を挟持可能な上冶具２４Ａとを備えている。この実施形態では、さらに、有底状金属ケース２の天面３の厚み方向に対して両面から挟み込むように圧力を加えることが可能な加圧部材の一例としてのバネ２５をも備えている。このような構成において、バネ２５により上冶具２４Ａと下冶具２３との間でケース２を加圧した状態で超音波振動子製造用冶具と共にケース２に対して低温熱処理を施すことで、（音響整合層４が無い場合には）圧電体６とケース２とを接着剤３１により加圧接着させる機能、又は、（音響整合層４が有る場合には）圧電体６とケース２とを接着剤３１により加圧接着させるとともに及び音響整合層４とケース２とを接着剤３２により加圧接着させる機能と、（音響整合層４の有無にかかわらず）上記低温熱処理によって応力を緩和する機能とを発揮させる。
【００２５】
図５（ａ）は、上記第１実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具においてケース２を加圧していない状態を示し、図５（ｂ）はケース２を加圧した状態を示す。
【００２６】
上記冶具を、さらに詳しく説明すると、下冶具２３は、主に、圧電体６、ケース２を支持する一方、上冶具２４Ａは、圧電体６とケース２とを接着剤３１で接着するとともにケース２と音響整合層４とを接着剤３２で接着するために下冶具２３に向けて加圧するとともに、バネ２５により、下冶具２３に向かう上冶具２４Ａの加圧力を発生させるように構成している。上冶具２４Ａとバネ２５とを支えるスライド用シャフト２６は、上ベース２７の中央部で吊支持され、上ベース２７は、下ベース２８に固定されている２本の支柱２９で移動可能に支えられている。すなわち、金属製の板状部材である下ベース２８上に、金属製のフランジ付円柱体である下冶具２３が載置されており、下冶具２３の両側の外側で、下冶具２３を間に挟むように、金属製の２本の支柱２９が立設されて、金属製の板状部材である上ベース２７を移動可能に貫通している。上ベース２７は、下ベース２８と大略平行になるように配置されている。上ベース２７の中央部には、金属製のスライド用シャフト２６が下向きに貫通してＣリング（図示せず）とナット２６Ａにより上ベース２７が上向きには抜け止め保持されるとともに、スライド用シャフト２６沿いに下向きに２本の支柱２９で案内されつつ上ベース２７が移動可能になっている。スライド用シャフト２６の上ベース２７から下向きに突き出た部分には、バネ２５が外周面に嵌め込まれ、その下向きに突き出た部分の下端には、上蓋付きの円筒状の金属製の上冶具２４Ａが固定されている。
【００２７】
上記下冶具２３の円柱状ケース保持部２３ａは、その上面の中央に、上記圧電体６を保持する圧電体保持用凹部２３ｃが形成されており、かつ、上記超音波振動子１のケース２内に入り込んで、上面がケース２の天面３の内面に当接又は対向可能としている。円柱状ケース保持部２３ａの下端周囲には、上記超音波振動子１のケース２のケースフランジ部としての支持部５の下面が当接載置されるような平坦な金属製のフランジ２３ｂとを有する。よって、上記圧電体６が圧電体保持用凹部２３ｃ内に保持されると、圧電体６の上面と圧電体保持用凹部２３ｃの開口周囲である円柱状ケース保持部２３ａの上面とが大略同一面となり、上記圧電体６の上面に接着剤３１が塗布又は載置されると、接着剤３１の上面が円柱状ケース保持部２３ａの上面よりも突出して、ケース２の天面３の内面と接触可能となるように、圧電体保持用凹部２３ｃ及び円柱状ケース保持部２３ａを寸法形成する。
【００２８】
一方、上記上冶具２４Ａは、上記超音波振動子１のケース２のケース天面３を覆うことができる程度に大きな筒体であり、その筒体の上蓋の平坦な内面が、ケース天面３自体（音響整合層４が無い場合）又はケース天面３の音響整合層４（音響整合層４が有る場合）の上面に当接可能となっている。上冶具２４Ａの軸方向の長さは、ケース２の軸方向の長さより短くして、下冶具２３に載置されたケース２に上冶具２４Ａを被せて下向きに押圧したとき、上冶具２４Ａの上蓋の平坦な内面がケース２の天面３又は音響整合層４に接触する前に上冶具２４Ａがケース２のフランジ５に接触しないようにして、（音響整合層４が無い場合には）上冶具２４Ａの上蓋の平坦な内面と下冶具２３の円柱状ケース保持部２３ａの上面との間で、圧電体６がケース２に対して接着剤３１を介して押圧されるような押圧力が作用し、又は、（音響整合層４が有る場合には）音響整合層４と圧電体６とがケース２に対してそれぞれ接着剤３１，３２を介して押圧されるような押圧力が作用するようにしている。
【００２９】
具体的には、図５（ａ）の加圧していない状態では、上冶具２４Ａと、下ベース２８上の下冶具２３との間の空間で、下冶具２３上に、内側に接着剤３１を介して圧電体６を貼り付けた上記ケース２を載置し、上記ケース２の天面３に接着剤３２を介して配置された音響整合層４を上冶具２４Ａの下方に位置させる。
【００３０】
次いで、加圧時には、図５（ｂ）に示すように、上ベース２７を２本の支柱２９に沿って下向きにスライドさせて、上ベース２７を下方向に加圧して上ベース２７と下ベース２８のギャップを縮めることで、バネ２５を同時に縮ませて、上ベース２７側から下ベース２８に向けて加圧力を作用させる。バネ２５は縮むと同時に、作用反作用の原理から上冶具２４Ａに付随するバネ２５のバネ定数と、縮小させられた長さと、をかけ算しただけの加圧力（バネ力）を発生する。上ベース２７は、加圧時に上ベース２７を下げたとき上ベース２７より上方に突き出たスライド用シャフト２６の上ベース２７とナット２６Ａとの間に加圧セパレート３０を嵌め込むことでバネ２５を圧縮した状態で固定できる。加圧セパレート３０は、大略円筒部材であって、スライド用シャフト２６を出し入れするための切欠を径方向に形成しており、上記上ベース２７とナット２６Ａとの間のスライド用シャフト２６を切欠内に入れることにより、バネ２５のバネ力に抗して上ベース２７が上向きに移動するのを規制して上ベース２７を加圧状態に固定する一方、上記上ベース２７とナット２６Ａとの間のスライド用シャフト２６を切欠内から出すことにより、バネ２５のバネ力により上ベース２７が上向きに移動自在とする。上記加圧力は、ほぼ使用するバネ２５のバネ定数と、圧縮される長さとで決定できるため、使用するバネ２５の種類と加圧用セパレート３０の長さとを調節することで自由に加圧力を選択できる。下冶具２３の圧電体保持部である矩形開口の圧電体保持用凹部２３ｃは、図６（ａ）に示されるように、大略直方体の圧電体６をセットできるように圧電体６と大略同一形状でかつ圧電体６の外径寸法及び軸方向長さ寸法のそれぞれに対して公差を加えて若干大きめに形成されている。よって、下冶具２３の圧電体保持用凹部２３ｃ内に圧電体６が若干の余裕を持って挿入することができ、かつ、押圧後に圧電体６が圧電体保持用凹部２３ｃから簡単に抜け出ることができるようにしている。圧電体６とケース２とを接着剤３１で接着する目的に使用する場合、又は、圧電体６とケース２とを接着剤３２で接着する目的及びケース２と音響整合層４とを接着剤で接着する目的に使用する場合には、図６（ｂ）に示すように、ケース２の内径と下冶具２３の位置合わせ部分である外径との差が約２０〜１００μｍ以内で位置されるように構成する。その場合、上冶具２４Ａの寸法は、図６（ｃ）に示すように、圧電体６とケース天面３とを接着する部分、すなわち、ケース天面３の端部を含んでケース天面３の８０％以上を加圧できるように、構成されている。なお、圧電体６とケース２とを接着剤３１で接着する目的のみに使用する場合には、ケース２の天面３に音響整合層４が無いため、その分だけ上冶具２４Ａのケース２の天面３に当接する部分を厚くする必要がある。
【００３１】
なお、加圧により接着固定した後、後述する、適切な温度と時間で接着と応力緩和を行う低温熱処理を、上記超音波振動子用製造冶具により加圧状態でのケース２に施す。
【００３２】
上記構成の超音波振動子用製造冶具によれば、２本の支柱２９で案内させつつ上ベース２７を下降させて、上冶具２４Ａを上記超音波振動子１の上部に被せて、上冶具２４Ａと下冶具２３との間で押圧力を上記超音波振動子１の軸方向に作用させて、（音響整合層４が無い場合には）圧電体６とケース天面３の内壁面とを接着剤３１で接着固定するか、又は、（音響整合層４が有る場合には）音響整合層４とケース天面３の外壁面とを接着剤３２で接着固定するとともに圧電体６とケース天面３の内壁面とを接着剤３１で接着固定することができる。
【００３３】
すなわち、加圧した状態で超音波振動子製造用冶具と共にケース２に対して低温熱処理を施すことで、（音響整合層４が無い場合には）圧電体６とケース２とを接着剤３１により加圧接着させる機能、又は、（音響整合層４が有る場合には）圧電体６とケース２とを接着剤３１により加圧接着させるとともに及び音響整合層４とケース２とを接着剤３２により加圧接着させる機能と、（音響整合層４の有無にかかわらず）上記低温熱処理によって応力を緩和する機能とを発揮させることができる。
【００３４】
よって、上記超音波振動子用製造冶具を使用することにより、低コスト、強度、加工性、耐ガス性、耐食性、耐応力腐食割れ性に優れたケース材料、例えば、アルミニウム合金ダイカストでプレス成型又は切削加工によって形成されて流路を流れる流体に対して繋ぎ目のない加工で作成したケース２を用いて、低温熱処理下で、形状が安定し応力腐食割れをなくし、長期信頼性と優れた生産性でもって、超音波振動子１７，１８を製造することができる。また、バネ２５の付勢力により、上冶具２４Ａと下冶具２３との間でケース２を弾性的に加圧するため、応力を徐々に緩和しながらケース２を無理無く加圧して接着動作を行なうことができる。また、各接着面を大略均一化できることにより、各接着界面が均一なものとなり、高い接着精度を達成することができる。また、超音波振動子製造用冶具の機能として、接着と応力緩和及び形状修正を行うための超音波振動子製造用冶具を共用し、熱処理工程を同時にすることで生産性の向上、性能向上を実現することができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。
【００３６】
例えば、下冶具及び上冶具は使用する目的によって形状を変えることかできる。具体的には、上記第１実施形態にかかる超音波振動子用製造冶具では、圧電体６とケース２、又は、圧電体６とケース２、ケース２と音響整合層４を接着するために使用する場合を想定して、ケース天面３に加圧できるように下冶具２３及び上冶具２４Ａでケース天面３の厚み方向に対して加圧できるような構成にしている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、ケース２の形状を修正する場合には、修正する部分を下冶具２３と上冶具２４Ｂで加圧できる構成にする。例えば、ケース２のフランジ５を加圧できるようにする例として、本発明の第２実施形態にかかる、超音波振動子の製造方法に使用される超音波振動子製造用冶具について説明する。この超音波振動子製造用冶具が第１実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具と異なる点は、上冶具の形状であり、他の形状及び構造などは第１実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具と同じであるため、基本的に同一部分の説明は省略し、異なる点のみについて説明する。第２実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具の上冶具２４Ｂは、図７及び図８に示すように、上記下冶具２３に対向して設けられた筒体部２４ａと、筒体部２４ａの下端の外周に張り出してケース２のフランジ５に当接可能なフランジ２４ｂとより構成されている。
【００３７】
一方、少なくとも有底状ケース２を支える下冶具２３は第１実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具の下冶具２３と同一である。図７（ａ）は、上記第２実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具においてケース２を加圧していない状態を示し、図７（ｂ）はケース２を加圧した状態を示す。
【００３８】
このような構成においては、上冶具２４Ｂのフランジ２４ｂと下冶具２３のフランジ２３ｂとの間でケース２のフランジ５を加圧可能として、フランジ５の形状を修正可能としている。
【００３９】
すなわち、上冶具２４Ｂは、まず、上冶具２４Ａと同様に、図８（ｂ）に示されるように、筒体部２４ａの上蓋の平坦な内面が、ケース２の接着面であるケース天面３を挟んで、下冶具２３の加圧修正部分である円柱状ケース保持部２３ａの上面と、必要とされる公差で対向又は接触するように加工形成されて、ケース天面３に対して上冶具２４Ｂと下冶具２３とで加圧可能とする。
【００４０】
圧電体６とケース２とを接着する目的に使用する場合（音響整合層４が無い場合）、又は、圧電体６とケース２とを接着するとともにケース２と音響整合層４とを接着する目的に使用する場合（音響整合層４が有る場合）には、図６（ｂ）に示すように、ケース２の内径と下冶具２３の位置合わせ部分である円柱状ケース保持部２３ａの外径が約２０〜１００μｍ以内で位置されるように構成する。その場合、上冶具２４Ｂは、上冶具２４Ａと同様に図６（ｃ）に示すように接着する部分、すなわち、ケース天面３の端部を含んで８０％以上を加圧できるように構成されている。このように、加圧面を８０％以上にすることで、ケース修正時に加える荷重が少なくてすむ（単位面積あたりの荷重が小さくてよい）とともに、熱分布を均一にして、全面を均一に修正可能にすることができる。
【００４１】
さらに、上冶具２４Ｂについては、接着に用いるケース天面３の加圧部分はそのままで、フランジ５を加圧する部分に、後述する下冶具２３のフランジ２３ｂにフランジ５を介して当接してフランジ５を加圧できるように段加工を施して、フランジ２４ｂを形成する。よって、上冶具２４Ｂの軸方向の長さは、ケース２の軸方向の長さより若干長くして、下冶具２３に載置されたケース２に上冶具２４Ｂを被せて下向きに押圧したとき、上冶具２４Ｂの上蓋の平坦な内面がケース２の天面３又は音響整合層４に接触する前に上冶具２４Ｂのフランジ２４ｂがケース２のフランジ５に接触しないようにしている。なお、音響整合層４と接着剤３２とがない場合には、上冶具２４Ａの軸方向の長さをその分だけ短くする。
【００４２】
また、下冶具２３は、図８（ｂ）に示されるように修正したい部分、例えばケース２のフランジ５を修正する場合には、図８（ｂ）に示すように下冶具２３にケース２のフランジ５を加圧できるように、ケース２のフランジ５の下面全てを当接可能な程度の面積を少なくとも有する平坦なフランジ２３ｂを有するように段加工を施しておく。
【００４３】
なお、更に、ケース２の側面も修正したい場合には、図８（ｂ）に示すように、修正部分の特に応力が発生しやすいケース天面３の曲部を含んで曲部から２０％以上を加圧できるように、下冶具２３の側面の外周面と上冶具２４Ｂの側面の内周面との間にケース側面の内周面と外周面とを挟持できるように下冶具２３と上冶具２４Ｂを加工形成する。このようにすれば、ケース形状を修正する場合、特に曲部付近の形状を修正することで効率良く形状を修正可能である。
【００４４】
よって、第２実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具は、（音響整合層４が無い場合には）上冶具２４Ｂの上蓋の平坦な内面と下冶具２３の円柱状ケース保持部２３ａの上面との間で、圧電体６がケース２に対して接着剤３１を介して押圧されるような押圧力が作用し、又は、（音響整合層４が有る場合には）音響整合層４と圧電体６とがケース２に対してそれぞれ接着剤３１，３２を介して押圧されるような押圧力が作用すると同時的に、上冶具２４Ｂのフランジ２４ｂの下面と下冶具２３のフランジ２３ｂの上面との間で、ケース２のフランジ５の形状を修正するように押圧力が作用する。また、必要に応じて、さらに、上冶具２４Ｂの側面の内周面と下冶具２３の側面の外周面との間で、ケース側面の形状を修正するように押圧力が作用する。
【００４５】
すなわち、上記加圧した状態で超音波振動子製造用冶具と共にケース２に対して低温熱処理を施すことで、圧電体６とケース２とを接着剤３１により加圧接着させる機能、又は、圧電体６とケース２とを接着剤３１により加圧接着させるとともに音響整合層４とケース２とを接着剤３２により加圧接着させる機能と、ケース２のフランジ５（さらには側面）の形状を修正する機能と、低温熱処理によって応力を緩和する機能とを発揮させることができる。
【００４６】
従って、上記第１実施形態での作用効果に加えて、バネ２５の付勢力により、上冶具２４Ｂと下冶具２３との間でケース２を弾性的に加圧するため、応力を徐々に緩和しながらケース２を無理無く加圧して接着動作を行なうと同時に形状修正動作を行なうことができる。また、各接着面を大略均一化できることにより、各接着界面が均一なものとなり、高い接着精度を達成することができる。
【００４７】
第１実施形態及び第２実施形態の超音波振動子製造用冶具において加圧状態とした後、熱処理を施すとき、図９に示すような恒温槽６１に入れて、適切な温度と時間で低温熱処理を行うことが好ましい。恒温槽６１は、底面近くに配置されたヒーター６２と、ヒーター６２の上に上記超音波振動子製造用冶具３５を少なくとも複数個載置可能なステンレス製などの冶具載置板３３と、上記超音波振動子製造用冶具を出し入れする恒温槽正面とは反対側の背面に配置されたファン３４とを備えるように構成されている。
【００４８】
このような構成においては、ヒーター６２で暖められた温風は、ファン３４で恒温槽内に循環される。ここでは、温風循環式の恒温槽６１を用いたが、所定の熱処理を行うことが可能なものであれば、どのような方式のものを用いても問題はない。
【００４９】
本発明の上記第１実施形態及び第２実施形態での超音波振動子の製造方法における低温熱処理について、低温熱処理の温度プロファイルは、接着剤３１，３２の加熱硬化温度プロファイルと同じにすることが好ましい。更に、低温熱処理工程と加熱硬化工程を同時に行うことで、接着と形状修正、応力緩和を同時に行うことができ、生産性を向上することができる。熱処理の温度プロファイルは図１０に示すように、熱処理温度Ｔまで温度を上げる工程４１と、熱処理温度Ｔで温度を一定温度で保持する工程４２と、熱処理温度Ｔカラ温度を下げる工程４３とより構成する。温度を上げる工程４１は、温度を上げる速度を０℃／ｍｉｎよりも大きく、５℃／ｍｉｎ以下することが望ましい。温度を上げる速度が５℃／ｍｉｎを越えて温度を早く上げすぎると、自己発熱性が高い接着剤を用いる場合には、接着面がポーラス状態になり易く、接着強度が低下するとともに、ケース全体の温度が一定に上がらないため、部分的に熱分布が生じ、歪みや反りが発生し、形状が原型と異なってしまうことがある。また、ひどい場合には、割れが生じることがある。。低温熱処理のための温度保持工程４２は、熱処理温度Ｔを１５０〜３００℃の範囲に保持する。熱処理温度Ｔが１５０℃未満ではケース天面の反り量を平坦にする効果が少なく、また、熱処理温度Ｔが３００℃を越えるとケース天面の反り量を平坦化する効果も低下し、応力腐食割れ試験においても割れが生じる。また、熱処理温度Ｔが３００℃以下ならば、超音波振動子製造用冶具に関しても特殊鋼などを使用する必要がなく、通常のステンレス（ＳＵＳ３０４など）で対応可能である。また、生産性に関しても、できるだけ低い温度である３００℃以下であれば、タクトタイムも短縮され熱処理するための恒温槽も通常品で可能なため有利である。以上から、熱処理温度は１５０〜３００℃の範囲が望ましい。よって、超音波振動子製造用冶具の耐熱性としては、低温熱処理の温度が１５０〜３００℃の範囲であることから、３００℃を越えるものとする必要がある。なお、上記熱処理温度は、１５０〜３００℃内のある温度例えば１７０℃で一定であってもよいし、１５０〜３００℃内で変動してもよい。図１０に示すように、接着剤の硬化反応に必要とされる温度範囲は１５０〜２００℃の範囲であり、応力緩和に必要とされる温度は１５０〜３００℃、形状修正に必要とされる温度は１５０〜３００℃である。よって、超音波振動子製造用冶具の耐熱温度は１５０℃以上である。上記ししたように、形状修正及び応力緩和に必要とされる熱処理温度は１５０℃以上必要であり。１５０℃未満の温度では殆ど効果が見られないからである。冶具の耐熱温度としては、さらに好ましくは、３００℃を越える温度が必要とされる。
【００５０】
上記一定温度で保持する工程４２において、上記１５０〜３００℃の範囲で熱処理温度Ｔを保持する温度保持時間は、０分より大きく、６０分以内でなければならない、その理由としては、熱処理を６０分を越えても応力腐食割れを防ぐ効果は、熱処理時間６０分以内と殆ど変わらないためであるとともに、場合によっては、熱処理時間が６０分を越えると、応力腐食割れが生じ始めることもあるからである。
【００５１】
上記図１０の温度プロファイルで示す上記温度を下げる工程４３では、その温度を下げる冷却速度を、０℃／ｍｉｎより大きく、必ず１．０℃／ｍｉｎ以下で徐冷する必要がある。これは、急冷もしくは１．０℃／ｍｉｎを超える速度で冷却すると、ケース２に応力が蓄えられ、反り、変形が生じたり、内部応力が蓄えられることで、応力腐食割れ試験で割れが生じる。従って、冷却速度は、０℃／ｍｉｎより大きく、必ず１．０℃／ｍｉｎ以下で徐冷する必要がある。
【００５２】
本発明の上記第１実施形態及び第２実施形態にかかる熱処理工程において、熱処理雰囲気は不活性ガス中で行う。ケース２の材料として、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタンなどは不動態膜が表面に形成されているため、不活性ガス雰囲気中で熱処理しなくても問題ないが、銅や真鍮のように酸化しやすい金属の場合には不活性ガス中で熱処理を行うことが望ましい。
【００５３】
本発明の上記第１実施形態及び第２実施形態にかかるケース天面３を平坦化可能な有底筒状金属ケース２の材質としては、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、銅、真鍮、又は、チタンが望ましい。特にこれらの材料を切削加工、もしくはプレス一体成型加工（例えば精密プレスによる深絞り法を用いて一体成型加工）を施した後に、加工油を完全に除去し、低温熱処理すれば、応力腐食割れを防ぐことが可能である。
【００５４】
本発明の上記第１実施形態及び第２実施形態にかかる有底筒状金属ケース２のケース天面３の厚みは、０ｍｍより大きく、１ｍｍ以下が望ましい。ケース天面３の厚みが１ｍｍを超えると、低温熱処理では応力腐食割れを防止する効果が低下するとともに、超音波振動子の超音波の感度が低下してしまう。従って、ケース天面３の厚みは１ｍｍ以下が望ましい。
【００５５】
本発明の第１実施形態及び第２実施形態に係る、超音波振動子の製造方法に使用される超音波振動子製造用冶具としては、上記下冶具２３が圧電体６に接着剤３１を塗布するときに圧電体６を保持するための接着剤印刷塗布用圧電体保持冶具を兼ねることもできるとともに、圧電体６とケース２の位置決め部又はケース２と音響整合層４の位置決め部を有するようにしてもよい。すなわち、図１１に示すように、圧電体６を下冶具２３の圧電体保持用凹部２３ｃ内にセットした後、圧電体保持用凹部２３ｃ内にセットされた圧電体６の露出した上面に接着剤３１を塗布し、ケース２に対して音響整合層４が塗布された接着剤３２で仮止めされた状態のケース２を下冶具２３に被せるようにセットする。下冶具２３の円柱状ケース保持部２３ａはケース２の内径に対して特定のマイナス寸法公差（例えば、２０〜１００μｍの公差）が入れられ、ケース２の内径が下冶具２３の円柱状ケース保持部２３ａに対して寸法公差分だけの隙間を介して位置するようにセットされる。すなわち、ケース２の天面３に対する圧電体６の接着位置は下冶具２３の圧電体保持用凹部２３ｃと円柱状ケース保持部２３ａの加工寸法公差と圧電体６の外径寸法公差、ケース２の内径寸法公差をそれぞれ足し合わせた公差が最大公差となり、要求される接着位置精度によって、各々の寸法公差の精度を変えることで対応可能である。上冶具２４Ｂには、音響整合層４とケース２の位置決め部４５を具備する。音響整合層４の位置決め部４５は、圧電体６を保持する圧電体保持用凹部２３ｃを設けた下冶具２３とは反対の上冶具２４Ｂの内側に設けられた円形凹部を囲む環状凸部４５より構成し、ケース天面３の外形を基準として音響整合層４の外形がケース天面３の外形と互いに中心が大略一致するように配置されるようにする。音響整合層４とケースの位置精度は、位置決め部４５、ケース外形と音響整合層外形の加工精度で決まるため、必要な位置精度に応じてそれぞれの寸法公差を決定すればよい。
【００５６】
更に、第１実施形態及び第２実施形態に係る、超音波振動子の製造方法に使用される超音波振動子製造用冶具において、上冶具２４Ａ，２４Ｂ例えば上冶具２４Ｂ又は下冶具２３は、接着、形状修正、応力緩和のための熱処理時に熱が均一に伝わり、場所による熱の不均一が起こらないように、超音波振動子製造用冶具でケース表面を完全に覆わない構造を有することが好ましい。すなわち、下冶具２３又は上冶具２４Ａ，２４Ｂは、少なくとも圧電体６、ケース２、音響整合層４を完全に覆わない構造を有するようにするのが好ましい。接着剤３１，３２を加熱硬化させる場合に、接着剤３１，３２との接着面ができるだけ均一な温度になるようにするため、接着面を完全に覆わないように構成するためである。特に、温風循環式方式や輻射熱方式などの恒温槽６１を用いる場合には、超音波振動子製造用冶具で接着剤３１，３２を完全に覆ってしまうと、熱が接着剤３１，３２に均一に伝わりにくく接着不良を起こしやすい。また、応力緩和及び形状修正の観点からは、超音波振動子製造用冶具ごとケース２を冷やすときには、超音波振動子製造用冶具をゆっくり冷やすことにより、ケース全体の熱容量が超音波振動子製造用冶具の熱容量に近くなるため超音波振動子製造用冶具及びケース全体が均一にゆっくりと冷やされる。これに対して、ケース２の一部分が急激に冷やされると、その部分の熱膨張係数が他の部分と異なってしまうために応力が発生してしまい、ケース２にひび割れやクラックが発生する。以上の観点から、接着と応力緩和、形状修正の機能を満たす超音波振動子製造用冶具としては、図１２に示すようにケース全体を完全に覆わない構成を有する。具体的には、図１２に示されるように、ケース側面に対応する上冶具２４Ｂの側面に、厚み方向に貫通しかつ軸方向に延びた所定幅の貫通開口２４ｄを所定間隔ごとに複数個設けるようにしてもよい。貫通開口２４ｄの位置は、これに限られるものではなく、ケース側面の剛性と、熱伝導の均一性の観点から適宜決定すればよい。貫通開口２４ｄの軸方向の長さは、少なくとも、ケース２内の接着剤３１に対向するケース側面部分が露出するとともに接着剤３２が露出する程度の長さとすることが好ましい。貫通開口２４ｄの総面積は、上冶具２４Ｂの側面の剛性が損なわれない程度とする。貫通開口２４ｄの形状は矩形にすれば、加工がしやすくなる。
【００５７】
また、上記実施形態では、加圧部材の一例としてのバネ２５を上冶具２４Ａ，２４Ｂに備えるようにしたが、下冶具２３に備えるようにしてもよい。このように、加圧部材としてバネを用いることで、必要な加圧力をバネを変えることで自由に選択可能となる。
【００５８】
また、上記実施形態にかかるに係る、超音波振動子の製造方法における超音波振動子製造用冶具としては、耐荷重が５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上である。形状を修正するために必要な荷重は最低５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上必要であるため、冶具の耐荷重も５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上必要とされる。
【００５９】
また、本発明の上記実施形態に係る、超音波振動子の製造方法における超音波振動子製造用冶具としては、冶具に用いられる母材の熱膨張係数がケース２の母材の熱膨張係数の以下であるようにすることが好ましい。冶具自体の熱膨張係数がケース母材の熱膨張係数より大きい場合には、冶具が熱により伸縮することで、ケース２の接着や形状修正、又は応力緩和をする場合に下冶具２３と上時具２４Ａ，２４Ｂが設計どおりにケース２に対して均等な力で加圧できない場合や、熱が均一に伝わらない場合が発生し、必要とされる効果が得られない場合がある。従って、冶具に用いられる母材の熱膨張係数はケース母材の熱膨張係数以下である必要がある。
【００６０】
また、本発明の上記実施形態に係る、超音波振動子の製造方法における超音波振動子製造用冶具としては、金属で構成されていることが好ましい。一般に、金属は、熱伝導率、加工性、剛性に優れていることから、超音波振動子製造用冶具として複雑な形状を作製する上でも非常に取り扱いやすい。また、超音波振動子製造用冶具の加工修正などの目的に応じて、熱膨張係数や熱伝導率などの物性値を適宜選択可能である。以上から冶具としては金属を用いることが好ましい。
【００６１】
さらに、本発明の上記実施形態に係る、超音波振動子の製造方法における超音波振動子製造用冶具としては、加圧部分の硬度はケース母材の硬度以上であることが必要である。超音波振動子製造用冶具の加圧面あるいは加圧部分にあたる所は、焼き入れを行って硬度を高めたり、ケース材料よりも硬い材料を用いてケース材料以上の硬度を有することが必要である。これに対して、ケース母材の硬度に比べ超音波振動子製造用冶具の加圧部分の硬度が低い場合には、超音波振動子製造用冶具自体がケースの形状に馴染んでしまい、ケース形状を修正することが不可能である。従って、超音波振動子製造用冶具の加圧部の硬度はケース母材の硬度以上必要とされる。
【００６２】
また、本発明の上記実施形態に係る超音波振動子の製造方法における超音波振動子製造用冶具としては、超音波振動子製造用冶具を構成する下冶具２３と、上冶具２４Ａ又は２４Ｂと、バネ２５とを一組として、少なくとも２組以上を組み合わせた構造を有することが生産効率を向上させる観点から好ましい。超音波振動子製造用冶具の構成としては、図１３（ａ）、図１３（ｂ）に示されるように、下冶具２３及び上冶具２４Ａ，２４Ｂより構成する超音波振動子製造用冶具を、例えば３行×３列のマトリックス状に９個、又は、図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示すように例えば３列の横並びに３個配置する。下冶具２３及び上冶具２４Ａ，２４Ｂを多数個配置することで一度に同じ条件で熱処理及び加圧が可能となる。加圧の具体的な方法としては、各スライド用シャフト２６の上ベース２７とナット２６Ａとの間に加圧セパレート３０を嵌め込むことでバネ２５を圧縮した状態で固定できる他、各支柱２９の上端の係止リング２９Ａと上ベース２７との間に加圧セパレート３０をそれぞれ差し込むことにより、各超音波振動子製造用冶具でのケース２に対する加圧状態を維持するようにしてもよい（図２２参照）。また、超音波振動子製造用冶具においてもコンパクトに配置することができ、熱処理に必要な恒温槽などの設備もその大きさに応じて小さくすることが可能になるため設備費用も削減可能である。以上の観点からも多数組み合わせた構造を用いることで生産性の向上を図ることが可能である。
【００６３】
また、本発明の上記第１及び第２実施形態の変形例に係る、超音波振動子の製造方法における超音波振動子製造用冶具として、上冶具と支柱２６とが固定されているのではなく、支柱２６に対して上冶具２４Ｅが自在に揺動可能として、下冶具２３に対する傾斜角度を自在に調整可能としてもよい。
【００６４】
すなわち、まず、上記第１実施形態の変形例として図１５に示すように、上冶具２４Ｅを、円柱体状のケース押圧部２４ｆと、ケース押圧部２４ｆを係合突起２４ｈで吊支持しかつ支柱２６に固定された筒状固定部２４ｅとより構成する。ケース押圧部２４ｆの上面の中央部の半球状凹部２４ｇと支柱２６の下端の球面凹部２６ａとの間に、揺動支点として機能する球部材の一例としての鋼球９９を配置して、支柱２６に対してケース押圧部２４ｆが自在に傾斜可能としている。よって、支柱２６より上冶具２４Ｅを介して下冶具２３に向けて加圧するとき、支柱２６に対して上冶具２４Ｅのケース押圧部２４ｆが鋼球９９周りに揺動して自在に傾斜することにより、ケース天面３とケース押圧部２４ｆの下面とが大略平行になり、この平行状態で押圧動作を行なわせることができる。従って、より精度良く、音響整合層４とケース天面３とを接着固定させることができる。
【００６５】
次に、上記第２実施形態の変形例としての図１６では、上冶具２４Ｅの固定部２４ｅに、ケース２の側面及びフランジ５を下冶具２３の円柱状ケース保持部２３ａ及びフランジ２３ｂとの間で加圧する側面加圧部２４ｊを備えるものである。よって、支柱２６より上冶具２４Ｅを介して下冶具２３に向けて加圧するとき、支柱２６に対して上冶具２４Ｅのケース押圧部２４ｆが鋼球９９周りに揺動して自在に傾斜することにより、ケース天面３とケース押圧部２４ｆの下面とが大略平行になり、ケース側面と側面加圧部２４ｊの内面とが大略平行になり、フランジ５の上面と側面加圧部２４ｊの下面とが大略平行になり、これらの平行状態で押圧動作を行なわせることができる。従って、より精度良く、音響整合層４とケース天面３とを接着固定させるとともに、ケース２の側面及びフランジ５の形状修正を行なうことができる。
【００６６】
また、上記第２実施形態の別の変形例としての図１７及び図１８では、上冶具２４Ｅの固定部２４ｅの側面加圧部２４ｊに、貫通開口２４ｄと同様な複数の貫通開口２４ｄを備えるものである。図１８は、恒温槽６１内に図１７の超音波振動子製造用冶具が配置されたとき熱風が複数の貫通開口２４ｄを通過する状態及び熱風により超音波振動子製造用冶具及びケース２が加熱される状態を矢印で説明したものである。よって、複数の貫通開口２４ｄを熱風が通過することにより、接着剤３１，３２との接着面ができるだけ均一な温度になり、接着、形状修正、応力緩和のための熱処理時に熱が均一に伝わり、場所による熱の不均一を防止することができる。すなわち、上記複数の貫通開口２４ｄを熱風の向きに沿って配置して、熱風が上記複数の貫通開口２４ｄから超音波振動子製造用冶具内に入りやすくすることにより、超音波振動子製造用冶具、ケース２、接着剤３１，３２、圧電体６、（音響整合層４がある場合には）音響整合層４が均一に加熱されやすくなり、均一に加熱して超音波振動子を製造することができる。
【００６７】
また、上記第２実施形態の上記別の変形例の超音波振動子製造用冶具において、図５（ａ），（ｂ）又は図７（ａ），（ｂ）と同様なスライド用シャフト２６、支柱２９、上ベース２７、下ベース２８、ナット２６Ａ、加圧セパレート３０などを使用した、ケース加圧前の状態と加圧状態を図１９及び図２０に示す。
【００６８】
また、上記第２実施形態の上記別の変形例の超音波振動子製造用冶具において、下冶具２３及び上冶具２４Ｅより構成する超音波振動子製造用冶具を、例えば３行×３列のマトリックス状に９個配置した、ケース加圧前の状態と加圧状態を図２１及び図２２に示す。上冶具２４Ｅ以外の基本的な構成は、図１３（ａ）と同様である。図２２の加圧状態では、各支柱２９の上端の係止リング２９Ａと上ベース２７との間に加圧セパレート３０をそれぞれはめ込んでバネ２５を圧縮した状態で固定することにより、各超音波振動子製造用冶具でのケース２に対する加圧を一斉に行ないかつそれらの加圧状態を維持するようにしている。
【００６９】
また、上記第２実施形態の上記別の変形例の超音波振動子製造用冶具において、下冶具２３及び上冶具２４Ｅより構成する超音波振動子製造用冶具を、図２３及び図２４に示すように、例えば３列の横並びに３個配置する。上冶具２４Ｅ以外の基本的な構成は、図１４（ａ），（ｂ）と同様である。図２４の加圧状態では、各スライド用シャフト２６の上ベース２７とナット２６Ａとの間に加圧セパレート３０を嵌め込んでバネ２５を圧縮した状態で固定することにより、各超音波振動子製造用冶具でのケース２に対する加圧を一斉に行ないかつそれらの加圧状態を維持するようにしている。
【００７０】
また、本発明の第３実施形態に係る、超音波振動子の製造方法における超音波振動子製造用冶具として、図２５〜図２７に示すように、各超音波振動子製造用冶具を１個ずつ加圧処理することができるものである。すなわち、第３実施形態に係る超音波振動子製造用冶具は、上冶具２４Ａをスライド用シャフト２６によりその内部に吊支持しかつ多数の円形の貫通開口５０ｄを有する円筒状外筒部材５０と、下冶具２３を載置しかつ外筒部材５０を載置する支持台５１と、外筒部材５０の中心軸に対して支持台５１に一対対向して備えられかつ先端がそれぞれ対向する外筒部材５０の係合凹部５０ｃ内に係合可能な係合フック５２とを備えて構成している。外筒部材５０の内径は、下冶具２３の外径より若干大きめに形成して、下冶具２３が外筒部材５０により嵌合されるようにしている。
【００７１】
図２６は、上記第３実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具において係合フック５２，５２で外筒部材５０を支持台５１に係合保持する前の状態を示す。図２７は、上記第３実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具において係合フック５２，５２を支持台５１に対して回動させて、それらの先端を外筒部材５０の係合凹部５０ｃ内に係合させることにより、外筒部材５０を支持台５１に係合保持した状態を示す。上記第３実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具は、図２７の係合保持状態で前述したような恒温槽６１内に入れることにより、図２８及び図２９に示すように、外筒部材５０の複数の貫通開口５０ｄを熱風が矢印方向に通過させることができる。この結果、個々のケース２を収納した超音波振動子製造用冶具が独立して恒温槽６１内に配置することにより、個々の超音波振動子製造用冶具での熱容量を均一化させることができて、各ケース２での接着剤３１，３２との接着面ができるだけ均一な温度になり、接着、形状修正、応力緩和のための熱処理時に熱が均一に伝わり、恒温槽６１内での場所の違いによる熱処理時の不均一な加熱を防止することができる。さらに、複数の穴をあけることで、加圧（接着）部分の状態を確認することが可能となる。
【００７２】
また、本発明の第４実施形態に係る、超音波振動子の製造方法における超音波振動子製造用冶具として、図３０に示すように、バネによる加圧ではなく、上冶具２４Ｃと下冶具２３Ｃとをねじにより結合して、ケース２を加圧するようにしてもよい。この実施形態によれば、先の実施形態のように係合フックではなく、上冶具２４Ｃと下冶具２３Ｃとを相対的に回転させることによるねじ結合で加圧動作、及び、逆回転で加圧解除動作を行なうことができ、上冶具２４Ｃと下冶具２３Ｃとの結合及び結合解除の自動化が行ないやすいといった効果がある。また、バネを用いないため、冶具の部品点数を削減でき、コストダウンに有効である。さらに、バネを用いないため、全体的に冶具のコンパクト化が可能であり、冶具の熱容量も小さくなるため、昇温、降温時間の短縮と、恒温槽の大きさも小さくするといった工程コスト削減につながる。
【００７３】
【実施例】
以下に、具体的な実施例により、本発明の効果の説明を行う。
【００７４】
（実施例１）
下冶具と下冶具に対向して設けられた上冶具から構成され、接着面を加圧した状態で低温熱処理を施すことで、圧電体とケースの加圧接着とケースの応力緩和の効果を確認するために、図５（ａ）に示す冶具構造を用いて検討を行った。圧電体を下冶具に載せた後、スクリーン印刷機にセットして接着剤を圧電体の上面に約２０μｍ塗布した。接着剤が塗布された圧電体を保持する下冶具を印刷機から取り出し、ケースを下冶具に載せ、下ベース上に載置した。その後、冶具の上ベースを少しずつ下ろして、接着面であるケース天面を加圧し、加圧セパレートで固定した。今回用いたケースは、厚み０．２ｍｍのＳＵＳ３０４を用いて作製された直径１１．８ｍｍ、高さ５．５ｍｍ、フランジ付きの有天筒状ケースである。加圧した状態で恒温槽に入れて熱処理を行った。熱処理の温度プロファイルは温度を上げる速度を３℃／ｍｉｎで上げた後、特定の温度で３０分保持した。その後、０．５℃／ｍｉｎで常温まで冷却し、恒温槽から取り出した。保持温度を１００〜３５０℃まで１０℃ずつ変化させて検討を行った。接着力に関しては接着強度を剥離試験機を用いて接着強度を測定し、３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上を合格とした。応力緩和については圧電体に接着剤を塗布しないで上記の加圧と熱処理を同じように施し、応力腐食割試験を行った。応力腐食割れ試験については、４２％の塩化マグネシウム１４３℃で４８時間行った後、取り出して顕微鏡で観察して割れのないものを合格とした。今回使用したケースについては、熱処理を施していないものは応力腐食割れ試験で割れてしまうことを確認している。以上検討した結果を、図３１に示す。接着強度に関しては、今回、エポキシ系の接着剤を用いて１５０〜２００℃の範囲で３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上が得られた。１５０℃未満では接着剤の化学反応が不十分で２００℃以上になるとポーラス状になり接着剤が炭化し始めるために接着強度の低下が見られた。一方、応力緩和については、１５０〜３００℃の範囲で応力腐食割れが抑制され、効果があることがわかった。また、図３１の結果から、接着強度が３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上得られる接着剤の加圧硬化温度範囲は１５０〜２００℃、応力緩和により応力腐食割れが抑制される温度範囲は１５０〜３００℃であることから、両方の効果を同じ工程で同時に得るための温度プロファイルは１５０〜２００℃である。
【００７５】
（実施例２）
下冶具と下冶具に対向して設けられた上冶具から構成され、接着面を加圧した状態で低温熱処理を施すことで、圧電体とケースの加圧接着とケースの応力緩和、形状修正の効果を確認するために、図７（ａ）に示す冶具構造を用いて検討を行った。圧電体を下冶具に載せた後、スクリーン印刷機にセットして接着剤を圧電体の上面に約２０μｍ塗布した。接着剤が塗布された圧電体を保持する下冶具を印刷機から取り出し、ケースを下冶具に載せ、下ベース上に載置した。その後、冶具の上ベースを少しずつ下ろして、接着面であるケース天面を加圧し、加圧セパレートで固定した。今回用いたケースは厚み０．２ｍｍのＳＵＳ３０４を用いて作製された直径１１．８ｍｍ、高さ５．５ｍｍ、フランジ付きの有天筒状ケースである。加圧した状態で恒温槽に入れて熱処理を行った。熱処理の温度プロファイルは温度を上げる速度を３℃／ｍｉｎで上げた後、特定の温度で３０分保持した。その後、０．５℃／ｍｉｎで常温まで冷却し、恒温槽から取り出した。保持温度を１００〜３５０℃まで１０℃ずつ変化させて検討を行った。接着力に関しては接着強度を剥離試験機を用いて接着強度を測定し、３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上を合格とした。応力緩和については圧電体に接着剤を塗布しないで上記の加圧と熱処理を同じように施し、応力腐食割試験を行った。応力腐食割れ試験については４２％の塩化マグネシウム１４３℃で４８時間行った後、取り出して顕微鏡で観察して割れのないものを合格とした。今回使用したケースについては熱処理を施していないものは応力腐食割れ試験で割れてしまうことを確認している。また、形状修正については、ケース単体で冶具を用いてケース天面とフランジ面を加圧して上記温度プロファイルで熱処理を行った。このとき、加圧力は５００ｋｇｆ／ｃｍ２一定とした。ケース天面については５μｍ以内、フランジ面については、フランジ面がケース側面に対しては８５〜９５度の範囲内に修正されていれば合格とした。以上検討した結果を図３２に示す。接着強度に関しては、今回、エポキシ系の接着剤を用いて１５０〜２００℃の範囲で３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上が得られた。１５０℃未満では接着剤の化学反応が不十分で、２００℃以上になるとポーラス状になり接着剤が炭化し始めるために接着強度の低下が見られた。一方、応力緩和については、１５０〜３００℃の範囲で応力腐食割れが抑制され、効果があることがわかった。また、形状修正に関しては１５０〜２５０℃の範囲で効果が見られた。図３２の結果から、接着強度が３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上得られる接着剤の加圧硬化温度範囲は１５０〜２００℃、応力緩和により応力腐食割れが抑制される温度範囲は１５０〜３００℃、形状修正効果は１５０〜２５０℃であることから、応力緩和と形状修正の効果を得るためには１５０〜２５０℃、すべての効果を同じ工程で同時に得るための温度プロファイルは１５０〜２００℃である。
【００７６】
（実施例３）
下冶具と下冶具に対向して設けられた上冶具から構成され、接着面を加圧した状態で低温熱処理を施すことで、圧電体とケースの加圧接着とケースの応力緩和、形状修正の効果を確認するために、図７（ａ）に示す冶具構造を用いて検討を行った。圧電体を下冶具に載せた後、スクリーン印刷機にセットして接着剤を圧電体の上面に約２０μｍ塗布した。接着剤が塗布された圧電体を保持する下冶具を印刷機から取り出し、ケースを下冶具に載せ、下ベース上に載置した。その後、冶具の上ベースを少しずつ下ろして、接着面であるケース天面を加圧し、加圧セパレートで固定した。今回用いたケースは、厚み０．２ｍｍのＳＵＳ３０４を用いて作製された直径１１．８ｍｍ、高さ５．５ｍｍ、フランジ付きの有天筒状ケースである。加圧した状態で恒温槽に入れて熱処理を行った。熱処理の温度プロファイルは温度を上げる速度を３℃／ｍｉｎで上げた後、１５０℃で３０分保持した。その後、０．１〜２．０℃／ｍｉｎで冷却速度を変化させて常温まで冷却し、恒温槽から取り出した。接着力に関しては接着強度を剥離試験機を用いて接着強度を測定し、３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上を合格とした。応力緩和については、圧電体に接着剤を塗布しないで上記の加圧と熱処理を同じように施し、応力腐食割試験を行った。応力腐食割れ試験については４２％の塩化マグネシウム１４３℃で４８時間行った後、取り出して顕微鏡で観察して割れのないものを合格とした。今回使用したケースについては、熱処理を施していないものは応力腐食割れ試験で割れてしまうことを確認している。また、形状修正については、ケース単体で冶具を用いてケース天面とフランジ面を加圧して上記温度プロファイルで熱処理を行った。このとき、加圧力は５００ｋｇｆ／ｃｍ２一定とした。ケース天面については５μｍ以内、フランジ面についてはケース側面に対してフランジ面が８５〜９５度の範囲内に修正されていれば合格とした。以上の検討結果を、図３３に示す。図３３の結果から、接着強度が３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上得られる接着剤の冷却速度は１．１℃／ｍｉｎ以下、応力緩和により応力腐食割れが抑制される冷却速度は１．０℃／ｍｉｎ以下、形状修正効果は１．２℃／ｍｉｎ以下である。従って、応力緩和と形状修正の効果を得るためには冷却速度を１．０℃／ｍｉｎ以下、すべての効果を同じ工程で同時に得るための冷却速度は１．０℃／ｍｉｎ以下である。
【００７７】
（実施例４）
下冶具と下冶具に対向して設けられた上冶具から構成され、接着面を加圧した状態で低温熱処理を施すことで、ケースの応力緩和、形状修正の効果を確認するために、図７（ａ）に示す冶具構造を用いて検討を行った。今回用いたケースは、厚み０．２ｍｍのＳＵＳ３０４を用いて作製された直径１１．８ｍｍ、高さ５．５ｍｍ、フランジ付きの有天筒状ケースである。加圧した状態で恒温槽に入れて熱処理を行った。熱処理の温度プロファイルは温度を上げる速度を３℃／ｍｉｎで上げた後、１５０℃で３０分保持した。その後、０．５℃／ｍｉｎの冷却速度で常温まで冷却し、恒温槽から取り出した。応力緩和については上記の加圧と熱処理を施し、応力腐食割試験を行った。応力腐食割れ試験については４２％の塩化マグネシウム１４３℃で４８時間行った後、取り出して顕微鏡で観察して割れのないものを合格とした。今回使用したケースについては、熱処理を施していないものは応力腐食割れ試験で割れてしまうことを確認している。また、形状修正については、ケース単体で冶具を用いてケース天面とフランジ面を加圧して上記温度プロファイルで熱処理を行った。ケース天面については５μｍ以内、フランジ面についてはケース側面に対してフランジ面が８５〜９５度の範囲内に修正されていれば合格とした。このとき、加圧力を３００〜８００ｋｇｆ／ｃｍ２まで変化させて形状修正に必要とされる加圧力を調べた。以上の検討結果を、図３４に示す。図３４の結果から、応力腐食割れについては３００〜８００ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲で加圧力に依存性はなく、応力緩和されている。また、形状修正においては、５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上の加圧力を加えることで、ケース天面及びフランジ面の形状修正を行えることがわかった。
【００７８】
以上、詳細に説明したように、上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００７９】
本発明の第１態様によれば、少なくとも有底筒状金属ケースと、
上記ケースの１つの面に接着剤により設けられた圧電体を備える超音波振動子、又は、圧電体が接着剤により設けられた上記ケースの１つの面の反対側の面に音響整合層が接着剤により設けられる超音波振動子を製造する超音波振動子製造用冶具において、
少なくとも、上記圧電体を保持する圧電体保持用凹部と、上記圧電体保持用凹部を有しかつ上記圧電体保持用凹部内に保持された上記圧電体と上記ケースの上記１つの面の内面とを上記接着剤を介して接着させた状態を保持可能なケース保持部とを有する下冶具と、上記下冶具に対向して配置されかつ上記下冶具との間で上記ケースを挟持可能な上冶具とを備えて、
上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの上記１つの面に上記接着剤を介して上記圧電体を加圧した加圧状態、又は、上記接着剤を介して上記ケースの上記１つの面に上記圧電体を加圧しかつその反対側の面に上記接着剤を介して上記音響整合層を加圧した加圧状態を保持可能であり、この加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能、又は、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能と、上記低温熱処理によって応力を緩和する機能を発揮することを特徴とする超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００８０】
本発明の第２態様によれば、少なくとも有底筒状金属ケースと、
上記ケースの１つの面に接着剤により設けられた圧電体を備える超音波振動子、又は、圧電体が接着剤により設けられた上記ケースの１つの面の反対側の面に音響整合層が接着剤により設けられる超音波振動子を製造する超音波振動子製造用冶具において、
少なくとも上記ケースを支える下冶具と、上記下冶具に対向して設けられた上冶具と、上記ケースの厚み方向に対して上記ケースの１つの面の両面側から上記上冶具と上記下冶具とで挟み込むように圧力を加えることが可能な加圧力を上記上冶具と上記下冶具とに作用させる加圧部材とを備えて、上記加圧部材により上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの上記１つの面に上記接着剤を介して上記圧電体を加圧した加圧状態、又は、上記接着剤を介して上記ケースの上記１つの面に上記圧電体を加圧しかつその反対側の面に上記接着剤を介して上記音響整合層を加圧した加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能、又は、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させる機能と、上記ケースの形状を修正する機能と、上記低温熱処理によって応力を緩和する機能とを有することを特徴とする超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００８１】
本発明の第３態様によれば、上記低温熱処理の温度プロファイルは、上記接着剤の加熱硬化温度プロファイルと同じである第１又は２の態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００８２】
本発明の第４態様によれば、上記下冶具は、少なくとも上記圧電体を上記ケースに対して位置決め保持する位置決め部を有する第１〜３のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００８３】
本発明の第５態様によれば、上記下冶具は、少なくとも上記圧電体を上記ケースに対して位置決め保持する位置決め部を有して、少なくとも上記圧電体に上記接着剤を塗布するための接着剤塗布用圧電体保持冶具として機能する第１〜４のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００８４】
本発明の第６態様によれば、上記上冶具は、少なくとも上記音響整合層を上記ケースに対して位置決め保持する位置決め部を有する第１〜５のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００８５】
本発明の第７態様によれば、上記上冶具は、少なくとも厚み方向に貫通して熱処理時の熱風が通過可能な複数の貫通開口を有する第１又は２の態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００８６】
本発明の第８態様によれば、上記下冶具又は上記上冶具は、上記下冶具と上記上冶具とを上記ケースを挟んで加圧状態とする加圧部材を具備する第１〜７のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００８７】
本発明の第９態様によれば、上記加圧部材はバネである第８の態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００８８】
本発明の第１０態様によれば、上記上冶具の天面の内面と、上記下冶具の上面の外面とは、上記ケースの天面において、上記ケースの曲部を含んで上記曲部から２割以上の面積において加圧荷重が加わるように寸法構成されている第１〜９のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００８９】
本発明の第１１態様によれば、上記熱処理に用いられる超音波振動子製造用冶具は、耐荷重が５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上である第１〜１０のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００９０】
本発明の第１２態様によれば、上記熱処理に用いられる冶具は、耐熱温度が３００℃を超える温度である第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００９１】
本発明の第１３態様によれば、上記熱処理に用いられる超音波振動子製造用冶具は、熱膨張係数が上記ケースの材料の熱膨張係数以下である第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００９２】
本発明の第１４態様によれば、上記上冶具及び上記下冶具は金属で構成されている第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００９３】
本発明の第１５態様によれば、上記加圧部分の硬度は上記ケースの材料の硬度以上である第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００９４】
本発明の第１６態様によれば、上記下冶具と上記上冶具とを少なくとも複数組備える第１〜１５のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子製造用冶具を提供する。
【００９５】
本発明の第１７態様によれば、超音波振動子製造用冶具の下冶具と上記下冶具に対向して設けられた上冶具との間に、少なくとも有底筒状金属ケースを上記下冶具で支持するように配置し、
次いで、上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの１つの面に接着剤を介して圧電体を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和するか、又は、接着剤を介して上記ケースの１つの面に圧電体を加圧しかつその反対側の面に接着剤を介して音響整合層を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和することにより、
上記ケースの上記１つの面に上記接着剤により上記圧電体が設けられる超音波振動子、又は、上記圧電体が上記接着剤により上記ケースの上記１つの面に設けられかつその１つの面の反対側の面に上記音響整合層が上記接着剤により設けられる超音波振動子を製造する超音波振動子の製造方法を提供する。
【００９６】
本発明の第１８態様によれば、超音波振動子製造用冶具の下冶具と上記下冶具に対向して設けられた上冶具との間に、少なくとも有底筒状金属ケースを上記下冶具で支持するように配置し、
次いで、上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの厚み方向に対して上記ケースの１つの面の両面側から上記上冶具と上記下冶具とで挟み込むように加圧部材により圧力を加えて、上記ケースの１つの面に接着剤を介して圧電体を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和するか、又は、接着剤を介して上記ケースの１つの面に圧電体を加圧しかつその反対側の面に接着剤を介して音響整合層を加圧しかつその加圧状態で低温熱処理を施すことで、上記圧電体と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させるとともに上記音響整合層と上記ケースとを上記接着剤により加圧接着させると同時的に、上記低温熱処理によって応力を緩和することにより、
上記ケースの上記１つの面に上記接着剤により上記圧電体が設けられる超音波振動子、又は、上記圧電体が上記接着剤により上記ケースの上記１つの面に設けられかつその１つの面の反対側の面に上記音響整合層が上記接着剤により設けられる超音波振動子を製造する超音波振動子の製造方法を提供する。
【００９７】
本発明の第１９態様によれば、上記低温熱処理の温度プロファイルは、上記接着剤の加熱硬化温度プロファイルと同じである第１７又は１８の態様に記載の超音波振動子の製造方法を提供する。
【００９８】
本発明の第２０態様によれば、上記下冶具と上冶具との間に、少なくとも上記有底筒状金属ケースを上記下冶具で支持するように配置するとき、
上記下冶具は、少なくとも上記圧電体を位置決め保持する第１７〜１９のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子の製造方法を提供する。
【００９９】
本発明の第２１態様によれば、上記下冶具と上冶具との間に、少なくとも上記有底筒状金属ケースを上記下冶具で支持するように配置する前に、
上記下冶具を接着剤塗布用圧電体保持冶具として使用して、上記下冶具に支持された上記圧電体に上記接着剤を塗布する第１７〜２０のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子の製造方法を提供する。
【０１００】
本発明の第２２態様によれば、上記下冶具と上冶具との間に、少なくとも上記有底筒状金属ケースを上記下冶具で支持するように配置するとき、
上記上冶具は、少なくとも上記音響整合層を位置決め保持第１７〜２１のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子の製造方法を提供する。
【０１０１】
本発明の第２３態様によれば、上記低温熱処理を施すとき、上記上冶具の厚み方向に貫通した複数の貫通開口を熱風が通過して上記超音波振動子製造用冶具及び上記ケースを加熱する第１７〜２２のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子の製造方法を提供する。
【０１０２】
本発明の第２４態様によれば、加圧部材により、上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの上記１つの面に上記接着剤を介して上記圧電体を加圧する第１７〜２３のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子の製造方法を提供する。
【０１０３】
本発明の第２５態様によれば、上記加圧部材はバネであり、上記バネの付勢力により、上記下冶具と上記上冶具との間で、上記ケースの上記１つの面に上記接着剤を介して上記圧電体を加圧する第２４の態様に記載の超音波振動子の製造方法を提供する。
【０１０４】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【０１０５】
【発明の効果】
本発明にかかる超音波振動子用製造冶具及び超音波振動子の製造方法によれば、上冶具と下冶具との間で押圧力を上記超音波振動子の軸方向に作用させて、（音響整合層が無い場合には）圧電体とケースの１つの面例えば天面の内壁面とを接着剤で接着固定するか、又は、（音響整合層が有る場合には）音響整合層とケース天面の外壁面とを接着剤で接着固定するとともに圧電体とケース天面の内壁面とを接着剤で接着固定することができる。
【０１０６】
すなわち、加圧した状態で超音波振動子製造用冶具と共にケースに対して低温熱処理を施すことで、（音響整合層が無い場合には）圧電体とケースとを接着剤により加圧接着させる機能、又は、（音響整合層が有る場合には）圧電体とケースとを接着剤により加圧接着させるとともに及び音響整合層とケースとを接着剤により加圧接着させる機能と、（音響整合層の有無にかかわらず）上記低温熱処理によって応力を緩和する機能とを発揮させることができる。
【０１０７】
よって、上記超音波振動子用製造冶具を使用することにより、低コスト、強度、加工性、耐ガス性、耐食性、耐応力腐食割れ性に優れたケース材料、例えば、アルミニウム合金ダイカストでプレス成型又は切削加工によって形成されて流路を流れる流体に対して繋ぎ目のない加工で作成したケースを用いて、低温熱処理下で、形状が安定し応力腐食割れをなくし、長期信頼性と優れた生産性でもって、超音波振動子を製造することができる。また、超音波振動子製造用冶具の機能として、接着と応力緩和及び形状修正を行うための超音波振動子製造用冶具を共用し、熱処理工程を同時にすることで、生産性の向上、性能向上を実現することができる。
【０１０８】
また、加圧部材、例えばバネの付勢力により、上冶具と下冶具との間でケースを弾性的に加圧する場合には、応力を徐々に緩和しながらケースを無理無く加圧して接着動作を行なうことができる。また、各接着面を大略均一化できることにより、各接着界面が均一なものとなり、高い接着精度を達成することができる。
【０１０９】
また、熱処理による応力緩和効果で応力腐食割れの抑制と加圧と熱処理のよる形状修正効果が得られる。また、接着硬化プロファイルと熱処理の温度プロファイルとを同じにするように調整する場合には、さらに生産効率を向上させることができる。
【０１１０】
更に、冶具の構成を冶具を構成する下冶具と上冶具、さらに必要に応じて加圧部材を一組として、少なくとも複数組以上を同時的に加圧及び熱処理する場合には、生産性や均一性をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の超音波振動子製造用冶具により製造される超音波振動子の外観斜視図である。
【図２】本発明の上記第１実施形態の超音波振動子製造用冶具により製造される超音波振動子の断面図である。
【図３】図１，図２の上記超音波振動子を使用する超音波流量計の横断面図である。
【図４】図３の上記超音波流量計の縦断面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の上記第１実施形態の超音波振動子製造用冶具において加圧前の状態と加圧状態を示す斜視図である。
【図６】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ、本発明の上記第１実施形態の超音波振動子製造用冶具である下冶具に圧電体を挿入する状態の斜視図、下冶具にケースを被せた状態の斜視図、ケースのみの斜視図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の第２実施形態の超音波振動子製造用冶具において加圧前の状態と加圧状態を示す斜視図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の上記第２実施形態の超音波振動子製造用冶具の下冶具と上冶具を示す分解斜視図及び一部断面斜視図である。
【図９】本発明の上記実施形態の超音波振動子製造方法で用いる恒温槽を示す図である。
【図１０】本発明の上記実施形態の超音波振動子の製造方法での熱処理の温度プロファイルを示す図である。
【図１１】本発明の上記実施形態の超音波振動子製造用冶具と超音波振動子の分解状態を示しかつ超音波振動子製造用冶具の上冶具の位置決め部など示す一部断面斜視図である。
【図１２】本発明の上記実施形態の変形例にかかる超音波振動子製造用冶具を示す図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の上記第１及び第２実施形態の超音波振動子製造用冶具を多数個、恒温槽内に入れた状態を示す図である。
【図１４】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の上記第１及び第２実施形態の超音波振動子製造用冶具を多数個、恒温槽内に入れた状態を示す図である。
【図１５】本発明の上記第１実施形態の変形例にかかる超音波振動子製造用冶具を示す断面図である（接着剤の図示は省略）。
【図１６】本発明の上記第２実施形態の変形例にかかる超音波振動子製造用冶具を示す断面図である（接着剤の図示は省略）。
【図１７】本発明の上記第２実施形態の別の変形例にかかる超音波振動子製造用冶具を示す断面図である（接着剤の図示は省略）。
【図１８】図１７の上記変形例にかかる超音波振動子製造用冶具を示す断面図である（接着剤の図示は省略）。
【図１９】本発明の上記実施形態の変形例にかかる超音波振動子製造用冶具を示す断面図である。
【図２０】本発明の上記実施形態の変形例にかかる超音波振動子製造用冶具を示す断面図である。
【図２１】本発明の上記実施形態の変形例にかかる超音波振動子製造用冶具を示す断面図である。
【図２２】本発明の上記実施形態の変形例にかかる超音波振動子製造用冶具を示す断面図である。
【図２３】本発明の上記実施形態の変形例にかかる超音波振動子製造用冶具を示す断面図である。
【図２４】本発明の上記実施形態の変形例にかかる超音波振動子製造用冶具を示す断面図である。
【図２５】本発明の第３実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具を示す斜視図である。
【図２６】本発明の上記第３実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具において係合フックで外筒部材を支持台に係合保持する前の状態を示す一部断面図である。
【図２７】本発明の上記第３実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具において係合フックで外筒部材を支持台に係合保持した状態を示す一部断面図である。
【図２８】本発明の上記第３実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具の低温加圧状態を示す斜視図である。
【図２９】本発明の上記第３実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具の低温加圧状態を示す断面図である。
【図３０】（ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明の第４実施形態にかかる超音波振動子製造用冶具を示す斜視図である。
【図３１】本発明の上記実施形態の一実施例にかかる超音波振動子製造方法の検討結果を示す図である。
【図３２】本発明の上記実施形態の一実施例にかかる超音波振動子製造方法の検討結果を示す図である。
【図３３】本発明の実施形態の一実施例にかかる超音波振動子製造方法の検討結果を示す図である。
【図３４】本発明の実施形態の一実施例にかかる超音波振動子製造方法の検討結果を示す図である。
【符号の説明】
１…超音波振動子、２…ケース、３…ケース天面、４…音響整合層、５…フランジ、６…圧電体、７…端子板、８ａ、８ｂ…端子、９…絶縁物、１０…導電性ゴム、１１…流量測定部、１２…側壁部、１３…側壁部、１４…シール材、１５…上板部、１６…流路断面、１７…超音波振動子、１８…超音波振動子、１９…振動子取り付け穴、２０…振動子取り付け穴、２１…シール材、２２…シール材、２３，２３Ｃ…下冶具、２３ａ…円柱状ケース保持部、２３ｂ…フランジ、２３ｃ…圧電体保持用凹部、２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｅ…上冶具、２４ａ…円筒部、２４ｂ…フランジ、２４ｄ…貫通開口、２４ｅ…筒状固定部、２４ｆ…ケース押圧部、２４ｇ…半球状凹部、２４ｈ…係合突起、２４ｊ…側面加圧部、２５…バネ、２６…スライド用シャフト、２６ａ…球面凹部、２７…上ベース、２８…下ベース、２９…支柱、３０…加圧用セパレート、３３…ステンレス製冶具載置板、３４…ファン、３５…超音波振動子製造用冶具、３６…音響整合層を接着剤で仮止めしたケース、、４１…温度を上げる工程、４２…温度を保持する工程、４３…温度を下げる工程、４５…位置決め部、５０…外筒部材、５０ａ…貫通開口、５０ｃ…係合凹部、５０ｄ…貫通開口、５１…支持台、５２…係合フック、６１…恒温槽、６２…ヒーター、９９…鋼球。
【図１】
2004236119.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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