JP6592282B2

JP6592282B2 - 超音波センサ

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。

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。

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。

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。

特許第４５０９４５８号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

従来の超音波センサの断面図を示す。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。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。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。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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

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

Claims

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、
前記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、
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、
前記ポッティング材のデュロメータＡ硬度は、５〜５０である、超音波センサ。
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、請求項１に記載の超音波センサ。