JP6592282B2

JP6592282B2 - Ultrasonic sensor

Info

Publication number: JP6592282B2
Application number: JP2015118945A
Authority: JP
Inventors: 有紀松田
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2035-06-12
Also published as: JP2017005564A

Description

本発明は、圧電素子を備えた超音波センサに関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic sensor provided with a piezoelectric element.

従来、管路内を流れる流体に超音波を伝播させ、その伝播速度の変化に基づいて流体の流速や流量などを測定する超音波センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この超音波センサは、図１に示すように、導電性を有する材料から構成されるケース１００と、このケース１００内に収容された円盤状の圧電素子２００とを備えている。この圧電素子２００は、上面および下面に形成された電極間に電圧が印加されることにより振動して超音波の発生源となるとともに、外部振動を受けることにより電極を介して電圧を取り出すことができる。このような圧電素子２００は、エポキシ樹脂などからなる接着剤３００によりケース１００の底部の内壁面に固定される。これにより、圧電素子２００の底面側の電極とケース１００とが導通するので、圧電素子２００の上面側の電極にリード線２０１を接続して、このリード線２０１とケース１００との間に電圧を印加することにより、圧電素子２００を振動させて、超音波を発生させることができる。また、伝播してきた超音波を圧電素子２００で受け、圧電効果によって発生した電圧をリード線２０１とケース１００とから取り出すことができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an ultrasonic sensor that propagates ultrasonic waves to a fluid flowing in a pipeline and measures a fluid flow velocity, a flow rate, and the like based on a change in the propagation speed (see, for example, Patent Document 1).
As shown in FIG. 1, the ultrasonic sensor includes a case 100 made of a conductive material and a disk-shaped piezoelectric element 200 accommodated in the case 100. The piezoelectric element 200 vibrates when a voltage is applied between the electrodes formed on the upper surface and the lower surface to become a generation source of ultrasonic waves, and can take out the voltage through the electrodes by receiving external vibration. it can. Such a piezoelectric element 200 is fixed to the inner wall surface at the bottom of the case 100 by an adhesive 300 made of epoxy resin or the like. As a result, the electrode on the bottom surface side of the piezoelectric element 200 and the case 100 are electrically connected, so that the lead wire 201 is connected to the electrode on the top surface side of the piezoelectric element 200, and a voltage is applied between the lead wire 201 and the case 100. By applying, the piezoelectric element 200 can be vibrated to generate ultrasonic waves. Further, the propagated ultrasonic wave is received by the piezoelectric element 200, and the voltage generated by the piezoelectric effect can be taken out from the lead wire 201 and the case 100.

このような超音波センサでは、正常に動作しない原因の一つとして、超音波センサ自身の故障が挙げられる。この故障は、接着剤３００が割れて圧電素子２００がケース１００から剥離して浮き上がることによりケース１００と圧電素子２００との導通が切れたり、圧電素子２００の電極とリード線２０１との接続部が剥がれたり、リード線２０１が断線したり、圧電素子２００が破損したりするなどの原因で発生する。これらの理由によって超音波センサ自身が故障すると、圧電素子２００に電圧を印加しても振動せず、また、圧電素子２００が超音波を受けて振動しても電圧を取り出すことができなくなる。 In such an ultrasonic sensor, a failure of the ultrasonic sensor itself may be cited as one of the causes that do not operate normally. This failure is caused by the adhesive 300 being cracked and the piezoelectric element 200 being peeled off from the case 100 and floating, the conduction between the case 100 and the piezoelectric element 200 is cut off, or the connection portion between the electrode of the piezoelectric element 200 and the lead wire 201 is broken. This occurs due to peeling, breaking of the lead wire 201, breakage of the piezoelectric element 200, or the like. If the ultrasonic sensor itself fails for these reasons, it does not vibrate even when a voltage is applied to the piezoelectric element 200, and the voltage cannot be extracted even if the piezoelectric element 200 vibrates due to ultrasonic waves.

なお、図２に示すように、超音波センサは導電性のケース１００に圧電素子２００が接着されて、その接着面の保護と圧電素子２００の目的でポッティング材１１０が充填されるのが常である。 As shown in FIG. 2, in the ultrasonic sensor, a piezoelectric element 200 is usually bonded to a conductive case 100, and the potting material 110 is filled for the purpose of protecting the bonding surface and the piezoelectric element 200. is there.

特許第４５０９４５８号公報Japanese Patent No. 4509458

さて、ポッティング材１１０を製造過程で、又は運転中の温度変化によっても加熱（硬化）され冷却されると、ポッティング材が体積収縮を起こして図２に示した矢印１０１の方向に収縮力が発生して、ポッティング材１１０が一部または全面剥離する問題がある。そもそも圧電素子２００とケース１００底面の接着剤３００の周辺は接着強度が高いのであるが、前記収縮力によってポッティング材１１０の上表面周囲がケース１００の内周面から剥離する。 Now, when the potting material 110 is heated (cured) and cooled during the manufacturing process or due to a temperature change during operation, the potting material undergoes volume shrinkage and a shrinkage force is generated in the direction of the arrow 101 shown in FIG. Thus, there is a problem that the potting material 110 is partially or entirely peeled off. In the first place, the adhesive strength is high around the piezoelectric element 200 and the adhesive 300 on the bottom surface of the case 100, but the periphery of the upper surface of the potting material 110 is peeled off from the inner peripheral surface of the case 100 by the contraction force.

この問題を解決するために、本願発明は環境変化に対して、超音波センサのケースにおけるポッティング材が剥離しないようにケースを加工しポッティングすることで課題を解決する。 In order to solve this problem, the present invention solves the problem by processing and potting the case so that the potting material in the case of the ultrasonic sensor does not peel off against environmental changes.

本願発明は、
導電性を有する材料から構成され、一端が開口する筒状の内部空間を有するケースと、このケースの内部空間内の底部に固定された圧電素子とを備えた超音波センサであって、
前記ケースは、内周面に溝部を有し、
前記ケースの前記溝部の一部に又は全部にまでポッティング材が充填されていることを特徴とする超音波センサである。 The present invention is
An ultrasonic sensor comprising a case made of a conductive material and having a cylindrical internal space with one end opened, and a piezoelectric element fixed to the bottom of the internal space of the case,
The case has a groove on the inner peripheral surface,
The ultrasonic sensor is characterized in that a potting material is filled in a part or all of the groove portion of the case.

また、本願発明は、ポッティング材の硬度は、デュロメータA 5〜50のポッティング材であることを特徴とする超音波センサである。 Further, the present invention is an ultrasonic sensor characterized in that the potting material has a durometer A 5-50 potting material hardness.

さらに、前記溝部の断面形状は、矩形、円形、三角形、または楔形であることを特徴としてもよい。 Further, the cross-sectional shape of the groove portion may be a rectangle, a circle, a triangle, or a wedge shape.

本願発明により、ケースに溝を設けポッティング材を充填することで、ケースの周囲から中心に向かう方向のポッティング材表面に発生する収縮力に対して、ポッティング材が剥離しにくくなる効果がある。さらに、ポッティング材には、超音波振動子の余分な振動を吸収し、超音波の背面反射を防ぐ効果がある。 According to the present invention, by providing a groove in the case and filling the potting material, there is an effect that the potting material is less likely to be peeled against the contraction force generated on the surface of the potting material in the direction from the periphery to the center of the case. Further, the potting material has an effect of absorbing the extra vibration of the ultrasonic vibrator and preventing the back reflection of the ultrasonic wave.

従来の超音波センサの断面図を示す。Sectional drawing of the conventional ultrasonic sensor is shown. 従来の超音波センサにポッティング材を充填した状態を示す。The state which filled the potting material in the conventional ultrasonic sensor is shown. 本願発明の実施の一態様である超音波センサの断面図を示す。Sectional drawing of the ultrasonic sensor which is one aspect | mode of implementation of this invention is shown. 本願発明の実施の一態様である超音波センサにポッティング材を充填した状態を示す。The state which filled the potting material in the ultrasonic sensor which is one aspect | mode of implementation of this invention is shown. 本願発明の実施の別態様である超音波センサの断面図を示す。Sectional drawing of the ultrasonic sensor which is another aspect of implementation of this invention is shown.

（１）本願発明の構成
図３に示すように、本実施の形態に係る超音波センサは、ケース１００と、円盤状の圧電素子２００とを備え、この圧電素子２００はケース１００の内部に接着剤３００により固定されている。 (1) Configuration of the Invention As shown in FIG. 3, the ultrasonic sensor according to the present embodiment includes a case 100 and a disk-shaped piezoelectric element 200, and the piezoelectric element 200 is bonded to the inside of the case 100. It is fixed by the agent 300.

ケース１００は、黄銅、ステンレス等の導電性を有する材料から構成され、一端が開口する円筒状の内部空間を有している。このようなケース１００の開口部に近い内壁の内周面に沿って溝部１２０が切削加工されてある。本例では一周の溝の例である。 The case 100 is made of a conductive material such as brass or stainless steel, and has a cylindrical internal space that is open at one end. The groove 120 is cut along the inner peripheral surface of the inner wall near the opening of the case 100. In this example, it is an example of a circular groove.

（２）ポッティング材の充填
図４に示すように、ポッティング材１１０はケース１００の内周面に設けられた溝部１２０の一部に又は全部にまでかかる範囲まで充填される。 (2) Filling Potting Material As shown in FIG. 4, the potting material 110 is filled in a part or all of the groove portion 120 provided on the inner peripheral surface of the case 100.

ポッティング材１１０が収縮するのは矢印１０１方向に示す収縮力によるものであるので、本例では、ポッティング材１１０は溝部１２０の一部または全部と接触しているので、本図示の接着部１０２に示すとおり溝部１２０の下部でポッティング材１１０は接着しており、ここでの接着強度は高い。そのためポッティング材１１０は剥離しにくくなる。 Since the potting material 110 contracts due to the contracting force shown in the direction of the arrow 101, in this example, the potting material 110 is in contact with a part or all of the groove 120, so As shown, the potting material 110 is bonded to the lower portion of the groove 120, and the bonding strength here is high. Therefore, the potting material 110 is difficult to peel off.

なお、図４では右面側の表示は省略したが、収縮力１０１はポッティング材１１０の上表面全周囲で中心方向に発生するのは当然である。 Although the right side display is omitted in FIG. 4, it is natural that the contraction force 101 is generated in the central direction around the entire upper surface of the potting material 110.

（３）ポッティング材質
ポッティング材はシリコーン系、ウレタン系、エポキシ系でよいものだが、特に、ポッティング材１１０の充填の目的の１つが超音波振動子のバッキングであるので、硬度を限定することが望ましい。それは、「デュロメータＡ５〜５０のポッティング材」が相当である。本来、バッキングとは、超音波振動子の余分な振動を吸収し、超音波の背面反射を防ぐことを目指すので、ある程度の柔らかいポッティング材を選択するのである。 (3) Potting material The potting material may be silicone, urethane, or epoxy. However, since one of the purposes of filling the potting material 110 is the backing of the ultrasonic vibrator, it is desirable to limit the hardness. . That is equivalent to “potting material of durometer A 5-50”. Originally, the backing is intended to absorb the extra vibration of the ultrasonic vibrator and prevent the back reflection of the ultrasonic wave, so a soft potting material is selected to some extent.

（４）その他の実施例
上述の実施例では、溝部１２０の溝断面形状は矩形で示したが、本例にこだわる必要はない。その他に、円形（図５に示す）、三角形（以下図省略）、または楔形であってもよい。要は、ポッティング材１１０の溝部１２０での接着面１０２が設けられればよいのである。 (4) Other Embodiments In the above-described embodiments, the groove cross-sectional shape of the groove 120 is shown as a rectangle, but it is not necessary to stick to this example. In addition, a circle (shown in FIG. 5), a triangle (hereinafter not shown), or a wedge shape may be used. In short, it is only necessary to provide the bonding surface 102 at the groove 120 of the potting material 110.

また、溝部１２０は一周に限らず複数周または複数段に設けてもよい。
そのような設計上の変形であっても、本願発明と同一の作用効果を奏するものは、本願発明の範囲に入る。 Further, the groove 120 is not limited to one round, and may be provided in a plurality of rounds or in a plurality of stages.
Even if it is such a design modification, those having the same effects as the present invention fall within the scope of the present invention.

１００ケース
１０１収縮力
１０２接着面
１１０ポッティング材
１２０溝部
２００圧電素子
２０１リード線
３００接着剤 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Case 101 Shrinkage force 102 Adhesive surface 110 Potting material 120 Groove part 200 Piezoelectric element 201 Lead wire 300 Adhesive

Claims

A case made of a material having conductivity and having a cylindrical internal space with one end opened;
A piezoelectric element fixed to the bottom of the inner space of the case,
Bei to give a,
The case has a groove on the inner peripheral surface,
Potting material is filled in part or all of the groove of the case ,
An ultrasonic sensor , wherein the potting material has a durometer A hardness of 5 to 50 .

Sectional shape before Symbol groove, rectangular, circular, triangular or wedge-shaped, ultrasonic sensor according to claim 1.