JP2019176291A

JP2019176291A - 超音波送受波器

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Publication number: JP2019176291A
Application number: JP2018061501A
Authority: JP
Inventors: 知樹桝田; Tomoki Masuda; 昌道橋田; Masamichi Hashida; 賢輝信長; Kenki Nobunaga; 永原　英知; Hidetomo Nagahara; 英知永原; 祐大石崎; Yudai ISHIZAKI
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-10-10

Abstract

【課題】特性および信頼性の優れた超音波送受波器を提供する。
【解決手段】導電成分を含有する音響整合層１を圧電振動子２と接続、固定することで、音響整合層１と圧電振動子２の電気的な接続信頼性を確保し、超音波照射特性を向上させ、信頼性に優れた超音波送受波器を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を利用して気体の流量を計測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に用いる超音波送受波器に関するもので、特に圧電振動子の音響インピーダンスと被測定流体の音響インピーダンスとの整合をとる音響整合層、さらにはこれを用いた超音波送受波器に関するものである。

近年、超音波が流量計測部を伝搬する時間を計測し、流体の移動速度を測定して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つつある。このような超音波流量計では精度が要求され、その精度を向上させるために、気体に超音波を送波、または気体を伝搬して来た超音波を受波する超音波送受波器において、構成している音響整合層の音響インピーダンスが重要となる。

音響インピーダンスＺは、物質中の音速Ｃと密度ρとで式（１）のように定義される。

Ｚ＝ρ×Ｃ（１）
音響インピーダンスは振動手段である圧電振動子である固体と超音波の放射媒体である気体とでは大きく異なる。例えば、一般的な圧電振動子であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等のピエゾセラミックの音響インピーダンス（Ｚ０）は３０×１０６ｋｇ／ｍ^２／ｓ程度である。また、放射媒体である気体、例えば空気の音響インピーダンス（Ｚ３）は４００ｋｇ／ｍ^２／ｓ程度である。

このような音響インピーダンスの異なる境界面上では音波の伝搬において反射を生じて、放射媒体を透過する音波の強さが弱くなる。これを解決する方法として、振動手段である圧電振動子と超音波の放射媒体である気体とのそれぞれの音響インピーダンスＺ０とＺ３に対して、両者の間に式（２）の関係を有する音響インピーダンスを持つ物質を挿入することによって、音の反射を軽減して音波の透過する強度を高める方法が一般に知られている。この物質が音響整合層である。

Ｚ＝（Ｚ０×Ｚ３）（１／２）（２）
この条件を満たす音響インピーダンスが整合した時の最適な値は、１１×１０４ｋｇ／ｍ^２／ｓ程度となる。この音響インピーダンスを満たす音響整合層は、固体で密度が小さいものであることが要求され、超音波送受波器としたときにおいても破壊しないことが必要である。

実際に超音波送受波器の動作のためには、圧電振動子に電圧を印加する必要がある。通常は、圧電振動子を収納した金属筐体上に音響整合層を固定し、金属筐体との対向面と金属筐体に電圧を印可することで、電気的な接合を得ることが多い（例えば、特許文献１参照）。

特許第４７７１３７０号公報

超音波送受波器の音響整合層に用いることのできる材料は、低密度が要求されるためシ
リカ系セラミックス材料や、ガラスバルーンのような中空球体とエポキシ樹脂などによる結合材料の混合からなる音響整合層が知られている。

そして、前記方法で作成した音響整合層の表面に接着剤を印刷により塗布して接着層を形成し、前記音響整合層の表面が圧電振動子の表面、あるいは内部壁面に圧電振動子を接着した金属ケース表面に接着される際、前記音響整合層の前記凹部内に接着剤が完全に埋まらず微少空隙を残したまま接着されるので圧電振動子から発振される振動が、音響整合層接着界面の気泡存在のために音響整合層材料表面と圧電振動子表面あるいはケース表面間の接着強度が十分に発揮されないという課題を有していた。

また、特許文献１では金属ケースを音響整合層および圧電振動子間に導入することなく、電気的な接合も含めて改善するものである。具体的には、前記音響整合層側壁表面を除く表面部分にＡｇなど導電性の高い材料を焼き付けた導電膜を被覆することで、音響整合部層を圧電振動子に直接接合し、圧電振動子の音響整合層側からの電気的な接合を確保するものである。

しかし、この接合方法には課題が３点存在する。１点目は、音響整合層と導電膜はそれぞれ密度が異なることから、導電膜による高密度層により音響インピーダンスが部分的に増加し、音響整合層による感度特性を低下させることになる。２点目は、導電膜として使用するＡｇ材料は、流量計測に適用するガス種（たとえば都市ガス）に対する腐食性の観点で、信頼性課題や使用が限定される。３点目は、このような導電膜を形成することは、コスト削減の観点から避けることが望ましいと考えられる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、優れた特性を示し、信頼性にも優れた音響整合層と、その整合層を用いた超音波送受波器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波送受波器は、導電性成分を含有した音響整合層と、前記音響整合層が固定される圧電振動子とからなるものである。音響整合層は、圧電振動子側に配置する音響整合層に導電粉を混合させた材料を適用するものである。これにより、音響整合層は圧電振動子との積層方向に密度の変化が生じないので音響インピーダンスを変動させることなく音響整合層を構成することができ、さらに圧電振動子との接続安定性を確保することができる。このような手段により、音響整合層の超音波振動を極大化することができる。

本発明の超音波送受波器によれば、適切な音響インピーダンスおよび接続安定化が図れ、従来よりも高感度かつ高信頼性の超音波送受波器を得ることができる。

（ａ）本実施の形態１の超音波送受波器を示す断面図（ｂ）同平面図（ａ）〜（ｃ）本実施の形態１の製造法を説明する図

本発明の音響整合層、超音波送受波器および超音波流量計の概要は以下の通りである。

第１の発明の超音波送受波器は、導電性成分を含有した音響整合層と、前記音響整合層が固定される圧電振動子とからなるもので、音響整合層と圧電振動子を直接接合することで、超音波送受波器の接合信頼性を確保できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記音響整合層の音響インピーダンスが前記圧電振動子よりも小さく、密度が０．５ｇ／ｃｍ^３以上２．０ｇ／ｃｍ^３以下とすることにより、接合信頼性を確保しつつ、超音波照射面を十分に振動させることができる。

第３の発明は、特に第１または２の発明において、前記音響整合層の音波照射面に、密度が０．２ｇ／ｃｍ^３以下の第２の音響整合層を積層することにより、超音波照射性面での振動を最大限にすることで、特性向上と信頼性をはかった超音波送受波器を得ることができる。

第４の発明は、第１から３のいずれか１つの発明において、前記音響整合層と前記圧電振動子を機械的に固定したことを特徴とすることにより、特性と信頼性に優れた超音波送受波器とすることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の音響整合層、超音波送受波器の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
以下、本実施形態の超音波送受波器の一例を詳細に説明する。

［超音波送受波器］
図１は、本開示の超音波送受波器１１１の一例を示す断面図である。超音波送受波器１１１は、積層体１１と積層固定冶具４および端子５を備える。

積層体１１は、音響整合層１と圧電振動子２を備える。音響整合層１は他の層を介さずに直接圧電振動子２と接している。圧電振動子２は、圧電セラミックスによって構成され、厚さ方向に分極されている。また、圧電振動子２は厚さ方向の上下面に電極を有しており、上面電極は音響整合層１と電気的に接続され、下面電極と間に電圧を印加することによって、超音波振動を発生する。

また、音響整合層３を音響整合層１上に形成することで、さらなる特性向上をはかることができる。

音響整合層１または音響整合層１上に形成された音響整合層３は、流体に超音波を送波、または流体を伝搬してきた超音波を受波するためのもので、駆動交流電圧により励振される圧電振動子２の機械的振動が外部の媒体に対して超音波として効率よく出ていき、到達した超音波が効率よく電圧に変換される役目を有する。

本発明における音響整合層１に適した材料としては、導電性成分を混合した樹脂が挙げられる。この導電性成分を混合した樹脂として、グラッシーカーボン、カーボン粉末を配合したエポキシ樹脂、硬質アクリル樹脂、硬質ウレタン樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＯＭ樹脂、ＡＢＳ樹脂が挙げられる。密度としては、０．５ｇ／ｃｍ^３から２．０ｇ／ｃｍ^３が好ましい。音響整合層１を単層で使用する場合は低密度を示す材料が気体計測においては適しており、後述する音響整合層３との積層する場合には、高密度材料が適している。なお、最適である密度は１．３ｇ／ｃｍ^３近傍が積層時に高特性を示す。

音響整合層３に適した材料としては、クローズドポア構造の発泡樹脂で形成されており、複数の孔部とその隣接する壁部を備えた構成を持つ硬質樹脂発泡体が挙げられる。

硬質樹脂発泡体の例として、硬質アクリル発泡体、硬質塩ビ発泡体、硬質ポリプロピレン発泡体、硬質ポリメタクリルイミド発泡体、硬質ウレタン発泡体が挙げられる。硬質アクリル発泡体の例として積水化成品工業株式会社のフォーマック、硬質塩ビ発泡体の例と
してＪＦＣ株式会社のナビセル、硬質ポリプロピレン発泡体の例として積水化学株式会社のゼットロン、硬質ポリメタクリルイミド発泡体の例としてダイセル・エボニック株式会社のロハセルなどが販売されている。これらの密度は０．２ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい密度条件である。

音響整合層３が硬質樹脂発泡体で構成された場合、気体に対する超音波送受波器の特性向上に優れる。

音響整合層３は、音響整合層３中を伝搬する音波の波長λの略１／４の厚さを有していることが望ましい。これにより、音響整合層３の２つの主面間で反射し音響整合層１へ入射する音波は位相が１／２ずれることによって弱められる。よって、不要な反射によって遅れて音響整合層１へ入射する音波の強度を小さくし、反射波の影響を抑制することができる。

本実施形態の超音波送受波器は、例えば以下の手順により、製造することができる。まず、図２（ａ）に示すように、音響整合層１、音響整合層３及び圧電振動子２を用意する。音響整合層１及び音響整合層３は、予め、ラッピングフィルムなどで研磨され、所望の表面粗度および厚さを有するように、加工されている。音響整合層３と音響整合層１を接着剤により接着し、この接着したものを圧電振動子２の上部に載せることで積層体１１を得る。

次に、図２（ｂ）に示すように、Ｌ字状の積層固定冶具４を対向配置し、その底辺に積層体１１を載置した後、図２（ｃ）に示すように、Ｌ字状の積層固定冶具４の先端を折り曲げて機械的に固定する。これにより音響整合層１および圧電振動子２の電気的接続が確保される。最後に、端子５を、音響整合層１と圧電振動子２に接続し、超音波送受波器が完成する。なお、積層体１１の固定方法としては、本実施の形態では、２個のＬ字状の金具によるカシメを用いたが、ボルトとナットによる固定等、適切な方法を用いることができる。また、部分的な固定だけでなく、積層体１１の全周を機械的に固定しても良い。

（実施例）
以下、実施の形態の超音波送受波器を作製し、特性を調べた結果を説明する。

１．試料の作製
［実施例（Ａ）］
（ａ）音響整合層の加工
音響整合層１として導電性カーボン（グラッシーカーボン：東海カーボン製）を使用した。この材料は密度１．５ｇ／ｃｍ^３である。

この音響整合層の厚さを、ラッピングフィルムシート（粒度６０μｍ、３Ｍ）を用いて８００μｍに調製した。この試料を直径１０．８ｍｍの円形状に加工した。
（ｂ）音響整合層と圧電振動子の固定
音響整合層１および圧電振動子２を重ね合わせた状態で、カシメによる積層固定冶具４にて固定した。
（ｃ）超音波送受波器の形成
音響整合層１および圧電振動子２を積層固定冶具４で重ね合わせたものに、端子５を取り付けた。

［実施例（Ｂ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
音響整合層１として導電性カーボン（グラッシーカーボン：東海カーボン製）を使用し
た。この材料は密度１．５ｇ／ｃｍ^３である。音響整合層３として、硬質プラスチック発泡体としてポリメタクリルイミドＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度０．０７ｇ／ｃｍ^３）を使用した。

ラッピングフィルムシート（粒度６０μｍ、３Ｍ）を用いて音響整合層１および音響整合層３の厚さを８００μｍに調製した。これらを直径１０．８ｍｍの円形状に加工した。（ｂ）音響整合層とケース、圧電振動子との接合
音響整合層１の上に、音響整合層３を接着剤により固定し、さらに音響整合層１の下に圧電振動子２を重ね合わせ、カシメによる積層固定冶具４にて固定した。
（ｃ）超音波送受波器の形成
音響整合層１の上部に固定した音響整合層３、下部に圧電振動子２を積層固定冶具４で重ね合わせたものに、端子５を取り付けた。

［実施例（Ｃ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
音響整合層１として導電性ＰＥＥＫ（ＰＥＥＫ４３０−ＡＥ３：東レ製）を使用した。この材料は密度１．３ｇ／ｃｍ^３である。音響整合層３として、硬質プラスチック発泡体としてポリメタクリルイミドＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度０．０７ｇ／ｃｍ^３）を使用した。

［実施例（Ｄ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
音響整合層１として導電性ＰＰＳ（ＰＥＥＫ２３０−ＡＥ３：東レ製）を使用した。この材料は密度１．４ｇ／ｃｍ^３である。音響整合層３として、硬質プラスチック発泡体
としてポリメタクリルイミドＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度０．０７ｇ／ｃｍ^３）を使用した。

［実施例（Ｅ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
音響整合層１として導電性ＰＯＭ（ＰＯＭ１３１−ＡＥ３：東レ製）を使用した。この材料は密度１．４ｇ／ｃｍ^３である。音響整合層３として、硬質プラスチック発泡体としてポリメタクリルイミドＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度０．０７ｇ／ｃｍ^３）を使
用した。

［実施例（Ｆ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
音響整合層１として導電性ＡＢＳ（ＡＢＳ６１０−ＡＥ１：東レ製）を使用した。この材料は密度１．３ｇ／ｃｍ^３である。音響整合層３として、硬質プラスチック発泡体としてポリメタクリルイミドＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度０．０７ｇ／ｃｍ^３）を使用した。

［比較例（Ｇ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
音響整合層１としてＰＥＥＫ（ＰＥＥＫＮＣ：東レ製）を使用した。この材料は密度１．３ｇ／ｃｍ^３である。音響整合層３として、硬質プラスチック発泡体としてポリメタクリルイミドＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度０．０７ｇ／ｃｍ^３）を使用した。

ラッピングフィルムシート（粒度６０μｍ、３Ｍ）を用いて音響整合層１および音響整合層３の厚さを８００μｍに調製した。これらを直径１０．８ｍｍの円形状に加工した。（ｂ）音響整合層とケース、圧電振動子との接合
音響整合層１の片面に導電性ペーストＡｇを塗布し、電極面を形成した。さらに音響整合層１の上に、音響整合層３を接着剤により固定し、さらに音響整合層１の導電性ペーストを塗布した側に、圧電振動子２を重ね合わせ、カシメによる積層固定冶具４にて固定した。
（ｃ）超音波送受波器の形成
音響整合層１の上部に固定した音響整合層３、下部に圧電振動子２を積層固定冶具４で重ね合わせたものに、端子５を取り付けた。

２．特性の評価
作製した超音波送受波器の感度を測定した。測定方法は、作製した１対の超音波送受波器を対向させ、一方を送信器とし、他方を受信器として、超音波の送受信を行った。

また、接合の信頼性を確認する方法として熱衝撃試験を実施し、その投入前後の感度特性測定によって評価した。なお、熱衝撃試験の条件については−４０℃３０分、８０℃３
０分を１サイクルとして設定し、１０００サイクル実施により確認した。表１にこれらの値、および、音響整合層２６の特性をまとめて示す。

また、感度については比較例に対する相対値、信頼性については比較例と同程度の試料に「△」、低い試料に「×」を記した。比較例よりも優れる試料に「◎」および「○」を記した。

３．結果の考察
表１に示すように、音響整合層に導電性をもたせることで、ケースを使用することなく電気的接続が簡便に実施でき、かつ高感度の超音波送受波器を得ることができる。従来技術では、導電性ペーストの接続信頼性が低いことが課題となっていると考えられる。

音響整合層は音波を減衰させずに伝播性能を確保するため、高弾性の性質が要求されている。このような材料物性を示す音響整合層１の材料として、樹脂材料のうちエンジニアリングプラスチックが好適である。また、硬質プラスチック発泡体と音響整合層１を積層する場合、音響インピーダンスによるシミュレーションから、密度１．３ｇ／ｃｍ^３近傍が適している傾向を確認している。

このような観点で材料選択した従来技術Ｇは感度特性こそ確立できているが、熱衝撃試験に投入した場合、エンジニアリングプラスチックと導電性接着剤の接着強度が低下するため、電気的接続を確保することは困難であり、信頼性確立には課題がある。

一方、音響整合層１そのものに導電性をもたせることで、従来では生じていた整合層材料と導電接着剤の界面における接合を考慮する必要が無く、特性と信頼性を同時に満たすことが可能である。また、ケースを使用することなく電気的接続の安定化がはかれ、かつ感度特性も満足する超音波送受波機を得ることができる。

本開示の積層体および超音波送受波器は、種々の流体の測定用流量計に好適に用いられる。また、目標対象物を探知する探知装置、目標対象物までの距離を測定する測距装置等、ソナー性能を有する種々の装置に好適に用いられる。

１音響整合層
２圧電振動子
３音響整合層
４積層固定冶具
５端子
１１積層体
１１１超音波送受波器

Claims

導電性成分を含有した音響整合層と、前記音響整合層が固定される圧電振動子とからなる超音波送受波器。
前記音響整合層の音響インピーダンスが前記圧電振動子より小さく、密度が０．５ｇ／ｃｍ^３以上２．０ｇ／ｃｍ^３以下である請求項１記載の超音波送受波器。
前記音響整合層の音波照射面に、密度が０．２ｇ／ｃｍ^３以下の第２の音響整合層を積層する請求項１または２に記載の超音波送受波器。
前記音響整合層と前記圧電振動子を機械的に固定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波送受波器。