專利名稱：超聲波振動器及使用它的超聲波流量計的制作方法
技術領域：
本發明涉及能夠利用超聲波計測氣體及液體的流量及流速的超聲波振動器及使用它的超聲波流量計。
背景技術：
作為現有技術的這種超聲波流量計使用的超聲波振動器，如圖7所示，用釬焊料3將壓電陶瓷1釬焊到金屬振動板2上(參照特開平4-309817號公報)。
超聲波流量計，有作為在各種機械設備的氣體/液體的流量監視或家庭用燃氣表中使用的情況，在這些情況下，往往在室外設置。超聲波流量計在室外設置時，特別是在夏季黎明前為20℃～25℃的機器溫度，伴隨著日出，在短時間內上升，在被陽光直射的設置條件下，機器本身容易溫度上升到60℃～70℃。另外，在冬季為-20℃以下的寒冷地帶設置時，也在被陽光直射時，容易產生數十度的溫度上升。圖8是表示設置在室外環境的超聲波流量計一天中的溫度變化的一個例子，要求超聲波流量計對這些溫度變化具備長期穩定的計測性能，例如家庭用的燃氣表，希望在10年間無維護正常動作。
特別是超聲波流量計的主要器件——超聲波振動器對溫度變化的耐久性，對整個計測系統具有很大的影響。象現有技術的那種結構，超聲波流量計一般是將壓電體和外殼及其他構成部件粘接或接合后，使其和外殼及其他構成部件成為一體化，這些粘接部分或接合部分的結構，是決定器件對溫度變化的耐久性的主要部分。作為評價它們的手法，進行熱負荷的反復試驗(以下稱作“熱沖擊試驗”)。該試驗，例如每隔30分鐘在80℃和-40℃之間反復變化，向超聲波振動器施加熱負荷。
可是，在上述現有技術的結構中，由于壓電陶瓷1是被釬焊到金屬振動板2上，所以進行熱負荷的反復試驗(以下稱作“熱沖擊試驗”)后，由于金屬振動板2和壓電陶瓷1的熱膨脹系數不同，所以存在著金屬振動板2與壓電陶瓷1的粘接部剝離或壓電陶瓷1破損的問題。
發明內容
本發明的目的，就是要提供能夠承受熱沖擊試驗的粘接、可靠性優異的超聲波振動器及使用它的超聲波流量計。
采用本發明后，能夠提供的超聲波振動器具備壓電體，由具有頂部和側壁部的金屬制的有頂外殼構成的被粘接固定體，將所述壓電體固定在所述被粘接固定體的所述頂部的內壁面、而且具有使所述壓電體和所述被粘接固定體的線膨脹系數的差異緩和地伸縮的線膨脹緩和功能的粘接劑。
因此，能夠解決現有技術的問題，本發明的超聲波振動器，能夠利用固定壓電體與被粘接固定體使用的粘接劑的伸縮，使壓電體與被粘接固定體的線膨脹系數的差異緩和。
另外，本發明的超聲波振動器，能夠防止熱沖擊試驗造成的壓電體與被粘接固定體的粘接部的剝離及壓電體的破損，在室外的環境下也能長期使用。
另外，采用本發明后，提供的超聲波流量計具備測定流過的被測定流體的流量的流量測定部；設置在該流量測定部中，向所述被測定流體發送超聲波的一對本發明的超聲波振動器；計測在所述一對超聲波振動器之間的傳播時間的計測部；根據來自所述計測部的信號，求出所述被測定流體的流量的流量運算部。
本發明的上述其它目的及特征，根據關于附圖的理想的實施方式的以下的講述，可以更好地領會。在該附圖中圖1是本發明的第1實施方式的超聲波振動器的剖面圖。
圖2是本發明的第1實施方式的超聲波振動器的涂敷了粘接劑的壓電體的立體圖。
圖3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)是本發明的第1實施方式的超聲波振動器的制造工序圖。
圖4(a)、(b)是本發明的第1實施方式的超聲波振動器的粘接劑涂敷工序圖。
圖5(a)、(b)、(c)是本發明的第1實施方式的超聲波振動器的粘接劑涂敷工序圖。
圖6是本發明的第1實施方式的包含超聲波振動器使用的超聲波流量計的局部剖面圖的結構圖。
圖7是現有技術的超聲波振動器的剖面圖。
圖8是表示設置在室外環境的超聲波流量計一天中的溫度變化的一個例子的超聲波流量計的溫度和時間的曲線圖。
圖9A是表示在上述第1實施方式涉及的超聲波振動器中，取代粘接劑，將外殼和壓電體剛性接合在一起的比較例中，從常溫狀態到高溫時的溫度變化造成的超聲波振動器的變形狀態的剖面圖。
圖9B是表示在上述第1實施方式涉及的超聲波振動器中，取代粘接劑，將外殼和壓電體剛性接合在一起的比較例中，從常溫狀態到低溫時的變形狀態的剖面圖。
圖10A是表示從常溫到高溫的狀態的粘接劑的變形引起的熱變形緩和的狀態的示意圖。
圖10B是表示從常溫到低溫的狀態的粘接劑的變形引起的熱變形緩和的狀態的示意圖。
圖11A是在內部變形的評價方法中，硬化前的粘接劑被涂敷到耐熱性的高分子薄膜上的狀態的示意圖。
圖11B是在上述內部變形的評價方法中，硬化前的粘接劑被涂敷到耐熱性的高分子薄膜上的狀態的示意圖。
圖12是在上述內部變形的評價方法中，表示殘留內部變形和H/L的關系的曲線圖。
圖13是表示將拉伸試驗用的樣品安裝到拉伸試驗機上的狀態的示意圖。
圖14是本發明的第2實施方式的超聲波振動器的剖面圖。
具體實施例方式
在繼續講述本發明之前，在附圖中，對同樣的部件，賦予相同的參照符號。
下面，在參照附圖講述本發明的各種實施方式之前，講述本發明的各種樣態。
采用本發明的第1樣態后，能夠提供的超聲波振動器具備壓電體，由具有頂部和側壁部的金屬制的有頂外殼構成的被粘接固定體，將所述壓電體固定在所述被粘接固定體的所述頂部的內壁面、而且具有使所述壓電體和所述被粘接固定體的線膨脹系數的差異緩和地伸縮的線膨脹緩和功能的粘接劑。另外，壓電體用粘接劑固定在有頂外殼的頂部的內壁面上后，由于能夠減少有頂外殼的頂部的變形量，所以能夠獲得對于熱沖擊試驗耐久性高的超聲波振動器。
因此，由于粘接劑是使壓電體和被粘接固定體的線膨脹系數的差異緩和地伸縮的材料，所以能夠獲得對于熱沖擊試驗耐久性高的超聲波振動器。
采用本發明的第2樣態后，能夠提供第1樣態所述的超聲波振動器，其所述粘接劑，具有鉛筆硬度試驗中的H～5B的鉛筆硬度。
采用本發明的第3樣態后，能夠提供第2樣態所述的超聲波振動器，其中，所述粘接劑，對被涂敷成長方形狀的所述粘接劑的中央部而言的端部的翹曲的高度尺寸與在所述粘接劑被涂敷成長方形狀時的長邊的長度之比，大約在5％以下。
采用本發明后，通過使用翹曲的高度尺寸之比是大約5％以下的粘接劑，能夠跟隨壓電體與被粘接固定體的熱應力的動向，所以能夠獲得對于熱沖擊試驗耐久性高的超聲波振動器。
采用本發明的第4樣態后，能夠提供第2樣態所述的超聲波振動器，其中，所述粘接劑，具有5～30MPa的粘接強度。
采用本發明的第5樣態后，能夠提供第2樣態所述的超聲波振動器，其中，所述粘接劑，具有40℃～120℃的玻璃化轉移點。
采用本發明的第6樣態后，能夠提供第1樣態所述的超聲波振動器，其中，所述粘接劑，具有鉛筆硬度試驗中的H～5B的鉛筆硬度；對被涂敷成長方形狀的所述粘接劑的中央部而言的端部的翹曲的高度尺寸與在所述粘接劑被涂敷成長方形狀時的長邊的長度之比，大約在5％以下；具有5～30MPa的粘接強度；具有40℃～120℃的玻璃化轉移點。
采用本發明的第7樣態后，能夠提供第1～6任一個樣態所述的超聲波振動器，其中，所述粘接劑，與所述被粘接固定體及所述壓電體相比，是軟質的。
采用本發明后，由于所述粘接劑與所述被粘接固定體及所述壓電體相比，是軟質的，所以能夠吸收膨脹收縮的反復應力，所以能夠獲得對于熱沖擊試驗耐久性高的超聲波振動器。
采用本發明的第8樣態后，能夠提供第1～6任一個樣態所述的超聲波振動器，其中，所述粘接劑，由平均2～3μm的厚度的層構成。
采用本發明后，由于粘接劑由平均2～3μm的厚度的層構成，能夠減少粘接劑中積蓄的內部應力，所以能夠獲得對于熱沖擊試驗耐久性高的超聲波振動器。
采用本發明的第9樣態后，能夠提供第1～6任一個樣態所述的超聲波振動器，其中，所述壓電體，具有沿著固定所述壓電體的所述被粘接固定體的所述頂部的所述內壁面的厚度方向形成的槽。
采用本發明的第10樣態后，能夠提供第1～6任一個樣態所述的超聲波振動器，其中，還具有被所述有頂外殼的開放端固定的端子板，用所述有頂外殼和所述端子板密封所述壓電體。
采用本發明后，壓電體與壓電體和所述有頂外殼的頂部的內壁面之間的粘接劑能夠防止與水分及光或促進老化的化學物質等接觸，所以能夠獲得對于熱沖擊試驗耐久性高的超聲波振動器。
采用本發明的第11樣態后，能夠提供的超聲波流量計，具備測定流過的被測定流體的流量的流量測定部；設置在該流量測定部中，向所述被測定流體發送超聲波的一對第1～10任一個樣態所述的超聲波振動器；計測在所述一對超聲波振動器之間的傳播時間的計測部；
根據來自所述計測部的信號，求出所述被測定流體的流量的流量運算部。
采用本發明后，可以獲得在室外的環境下也能長期使用的超聲波流量計。
下面，參照附圖，詳細講述本發明的實施方式。
(第1實施方式)圖1是表示本發明的第1實施方式的超聲波振動器的剖面圖。圖2是本發明的第1實施方式的超聲波振動器的壓電體的立體圖。
在圖1及圖2中，100是超聲波振動器，4是被粘接固定體的一個示例——帶鍔部的金屬制的有頂圓筒狀外殼，5是所述外殼4的頂部的內壁面，6是在相反的面上分別具有電極的立方體形狀的壓電體，7是將外殼4的頂部的內壁面5與形成有壓電體6的一個電極的面粘接到一起的粘接劑，8是外殼4的鍔——外殼支持部，9是密封外殼4的開口部地嵌入外殼4的開口部(敞開端)后固定外殼4的外殼支持部8的端子板，10是與上述壓電體6導通的外部端子，10a是貫通端子板9的貫通孔9a后與壓電體6的另一個電極電連接的信號用外部端子，10b是與端子板9電連接的接地用外部端子，11是充填到端子板9的貫通孔9a內地配置、旨在防止所述外殼8、端子9和信號用外部端子10a短路的絕緣部，12是使所述信號用端子10a與壓電體6的另一個電極導通的信號電纜，101是旨在控制振動模式的槽，其從形成壓電體6的一個電極的電極面、沿著垂直于該電極面的厚度方向延伸、以所定間隔形成。在本例中，設置3個槽101。
下面，使用圖1、圖2，講述以上的超聲波振動器100的詳細結構。
作為一個例子，外殼4是有頂筒狀的不銹鋼，壓電體6是壓電陶瓷，端子板9是鐵，然后粘接劑7使用熱硬化性環氧系樹脂構成。外殼4和壓電體6，被粘接劑7連接，在壓電體6的粘接面上，采用烤銀及濺射等形成電極。外殼4與壓電體6的電極面被粘接劑7連接，并且，形成的粘接劑7，具有外殼4及壓電體6的電極面的表面粗糙度左右的厚度尺寸，從而在外殼4及壓電體6的電極面上形成許多接觸點，確保兩者之間的電性的導通狀態。外殼4，通過外殼支持部8及端子板9，與接地用外部端子10b導通。另一方面，與壓電體6的粘接面相反的電極，在信號電纜12的作用下，與信號用外部端子10a連接，信號用外部端子10a和接地用外部端子10b，都設置在端子板9上，但為了防止電性的短路，信號用外部端子10a被絕緣部11固定在端子板9上。
在壓電體6上，設置著旨在控制振動模式的槽101，如圖2所示，槽101，采用將與外殼4的粘接面(接地電極面)(參照圖2的交叉影線部分)分割成4個相同的長方形的區域的結構。槽101，成為在壓電體6的深度方向(固定有壓電體6的外殼4的所述頂部的所述內壁面的厚度方向)形成60％以上、理想狀態為80％以上地分割壓電體6的結構。其理由如下。壓電體的厚度方向的尺寸，通常將使用的頻率中的超聲波的波長，作為基準尺寸，設定成其1/2。壓電體的寬度方向的尺寸，成為波長以上時，超聲波向厚度方向進行共振振動(縱振動模式)，但因泊松比(向厚度方向伸縮后，就引起向寬度方向伸縮)的關系，聲波還向寬度方向傳播，在壓電體6的側面反射后，造成復雜的寬度方向的振動模式，妨礙縱振動模式。向厚度方向共振時，由于厚度的中央附近泊松比的影響最大，所以至少需要中心以上的60％左右的分割，為了理想性地使向寬度方向的傳播為0，就需要分割80％以上。
在這種槽101的作用下，達到進行聲波的輻射及接收的縱振動模式激起的高效率化，抑制不需要的橫向的振動模式。這樣，采用具有槽101的結構后，可進行低電壓驅動，例如在被家用燃氣表使用時，用電池驅動，能夠實現十年免維護的燃氣表。
(超聲波振動器的動作)下面，講述以上結構的超聲波振動器100的動作。
驅動信號被信號用外部端子10a外加給超聲波振動器100。作為驅動信號，大多采用包含在壓電體6的共振頻率附近的頻率的脈沖串波，在上述驅動信號的作用下，被壓電體6激起共振頻率的振動。壓電體6在槽101的效應的作用下，抑制不需要的橫向的結合振動，高效率地激發聲波放射方向和振動方向正交的縱向振動，在產生的機械振動的作用下，通過粘接劑7及外殼4，向與外殼4相對的液體或氣體中發送超聲波。接收超聲波時，通過外殼4、粘接劑7，到來的聲波被傳遞到壓電體6，激發壓電體6進行機械振動。在被激發的機械振動的作用下，在壓電體6的相反的電極之間，產生電壓，成為受波信號，通過信號電纜12及信號用外部端子10a，例如被傳遞給超聲波流量計的計測部及流量運算部，進行處理。
(根據線膨脹系數的差異，選定硬度)作為一個例子，將外殼4為不銹鋼、壓電體6為PZT(鈦酸鋯酸鉛)系的壓電陶瓷構成超聲波流量計時，這種超聲波流量計在室外使用的溫度范圍內，外殼4的線膨脹系數為17.8ppm/℃左右，壓電體6的線膨脹系數為7.8ppm/℃左右，外殼4的線膨脹系數比壓電體6大50％以上。這樣，為了使本發明的上述第1實施方式涉及的超聲波振動器及使用它的超聲波流量計，能夠在室外環境中長期穩定地動作，介于外殼4和壓電體6之間、將兩者接合的粘接7的選定，十分重要。
在本發明的上述第1實施方式涉及的壓電體6中，為了實現縱振動模式激起的高效率化，采用在振動方向上具有槽101的結構，所以與通常的體積狀態(換言之，沒有槽的立方體形狀的狀態)相比，與外殼4的粘接面附近的強度及連接被槽101分割的柱狀結構的共同部分的強度下降，是不可避免的。所以粘接劑的選定，與使用通常的體積狀的壓電體相比，更加重要。
圖9A、圖9B分別表示在上述第1實施方式涉及的超聲波振動器100中，取代粘接劑7，例如采用釬焊等將外殼4和壓電體6剛性地接合在一起的比較例時的溫度變化造成的超聲波振動器100的變形的樣子，圖9A表示從常溫狀態到高溫時的變形狀態，圖9B表示從常溫狀態到低溫時的變形狀態。由于形成外殼的不銹鋼和壓電體6的壓電陶瓷的線膨脹系數存在差異，所以在高溫狀態中，外殼4變形成為凸狀態，壓電體6承受槽101的間隔變寬的方向的力矩。另外，在低溫狀態中，外殼4變形成為凹狀態，壓電體6承受槽101的間隔變窄的方向的力矩。這些變形，是使壓電體6從外殼4剝離的方向的力，在接合力強時，使由脆性材料的壓電陶瓷構成的壓電體6變形。壓電陶瓷的抗折強度是60MPa～100MPa，這時的變形量約300ppm～500ppm左右。溫度變化50℃時，不銹鋼和壓電陶瓷的變形量之差，大約是500ppm，在接合部附近及槽101的終端附近的共同部分，產生超過抗折強度的應力，使壓電陶瓷受到破壞的可能性很大。
所以，為了避免上述現象，不能剛性地固定，需要使用具有能夠使所述線膨脹系數的差異得到緩和的功能(線膨脹緩和功能)的粘接劑7。
圖10A、圖10B是表示粘接劑7的變形引起的熱變形緩和的狀態的示意圖，圖10A表示從常溫到高溫時的狀態，圖10B表示從常溫到低溫時的狀態。在圖10A、圖10B中，外殼4只代表性地示出頂部102。如圖10A、圖10B所示，利用粘接劑7的變形，吸收線膨脹系數較大的外殼4的變形，抑制產生對線膨脹系數較小的壓電體6的應力。就是說，能夠吸收外殼4和壓電體6的熱變形之差地將比收外殼4和壓電體6軟質的材料，作為粘接劑7使用后，能夠實現對溫度變化穩定的超聲波振動器100。關于粘接劑7的硬度，可以參照廠家的樣本數據。但由于硬度隨著硬化條件及粘接條件而變，所以最好考慮實際的硬化條件及粘接條件等，試制出樣品后，實際測量。
作為評價粘接劑等薄膜的硬度的簡便的試驗，可以采用使用各種硬度的鉛筆畫線，看能否畫出線來試驗硬度的鉛筆硬度試驗(JISK5600-5-4(1999)/ISO/DIS15184)。在本發明的上述第1實施方式中使用的粘接劑，鉛筆硬度的硬度范圍，將H～5B做為基本，HB～2B以內的硬度最佳。鉛筆硬度的硬度范圍比H硬時，承受熱沖擊時的翹曲過大，所以不好。鉛筆硬度的硬度范圍比5B軟時，粘接強度有可能過低，也不好。因此，如果將鉛筆硬度的硬度范圍定為HB～2B以內，粘接強度就不會過小，而且承受熱沖擊時的翹曲也小，所以尤其在溫度變化較大(例如有-30℃到60℃的溫度變化)的室外環境下長期(例如最低10年)的使用時，可以獲得很高的可靠性，比較理想。
(對殘余應力而言的選定)作為選定粘接劑7時應該考慮的其它點，有伴隨粘接劑7的硬度收縮而出現的內部變形。殘留內部變形后，就要產生內部應力，即使在常溫狀態下，也會在壓電體6及外殼4中產生變形，導致對溫度變化而言的穩定性下降。將熱硬化性的環氧樹脂作為粘接劑使用時，環氧樹脂本身作為粘接劑后，雖然硬化收縮至少是10％以下，但一般都要產生變形，還隨著硬化條件及粘接條件而變。所以，最好考慮實際的硬化條件及粘接條件等，試制出樣品后，實際測量。作為其評價方法，可以采用在耐熱性的薄膜上涂敷粘接劑后，將其加熱硬化，評價薄膜整體的翹曲量的方法。圖11A、圖11B是為了講述該內部變形的評價方法而繪制的示意圖，在圖11A、圖11B中，104是耐熱性的高分子薄膜，103是評價內部變形用的粘接劑。圖11A是硬化前的粘接劑103被涂敷到耐熱性的高分子薄膜104上的狀態，圖11B是硬化后的粘接劑103被涂敷到耐熱性的高分子薄膜104上的狀態。由于粘接劑103硬化收縮，高分子薄膜104產生翹曲，薄膜試料整體彎曲。這次在70mm×50mm的長方形的130μm的厚度的聚酰亞胺的薄片上，大致全面(向60mm×40mm的長方形)涂敷厚度80μm的要評價的粘接劑，將其加熱硬化后，評價聚酰亞胺薄片產生的翹曲的高度H。
設高分子薄膜104的薄片的長度(長方形的薄片的長邊的長度)為L、翹曲的高度(薄片的端部對中央部而言的翹曲的高度)為H后，可以通過求出翹曲的曲率半徑，推定粘接劑103的內部變形。圖12是根據換算的曲率半徑，將H/L作為橫軸，換算對應的粘接劑7的厚度每1μm的殘留內部變形的曲線圖。曲率半徑的換算，采用下述方法進行。即設耐熱性的高分子薄膜104的粘接劑涂敷面不收縮(中性面)，曲率半徑為R后，下式成立，可以求出曲率半徑。
Cos(L/2R)＝1-H/R式中H表示翹曲高度，L表示長方形的長度方向的長度。這時的殘留內部變形，如果設粘接劑層的厚度為T，就可用T/R表示。
由圖12可知H/L的值為20％以上，粘接劑的層為10μm時，殘留內部變形為250ppm左右，基本達到壓電陶瓷的抗折強度時的變形——300ppm，所以作為粘接劑7，最好選擇H/L在10％以下，更希望為大約5％以下的材料。如果這樣選擇H/L大約5％以下的材料后，特別是在溫度變化比較大(例如有-30℃～60℃的溫度變化)的室外環境下長期(例如最低10年)的使用時，可以獲得很高的可靠性，比較理想。
(粘接劑厚度及粘接強度)進而，作為選定粘接劑7時應該考慮的其它點，有粘接強度。粘接強度關系到確保超聲波振動器100的長期穩定性。同時，作為本發明的第1實施方式中的超聲波振動器100的結構上的特征，控制壓電體6和外殼4的粘接狀態，取得部分導通后，通過做外殼4和端子板9，能夠確保與接地用外部端子10b的導通。這樣，粘接劑7本身，需要以外殼4和壓電體6的表面粗糙度程度的厚度，發揮足夠的粘接強度的材料。另外，作為次要的影響，粘接劑的厚度對超聲波振動器100的本來的功能——超聲波的收發特性產生很大的影響。所以，粘接劑的厚度需要比壓電體6和外殼4的粘接面的最大高度Rz之和薄，最好是平均高度Ra之和左右。
在這里，所謂“最大高度Rz”，是JIS B 0601-2001規定的最大高度，是指從粗糙度曲線中朝其平均線的方向只抽取其基準長度，再朝粗糙度曲線的縱倍率的方向測定該抽取部分的牙頂線和牙底線之間的間隔，將其值用微米(μm)表示的物理量。從沒有被視為有損傷的那種有異常的高山和低谷的部分，只抽取基準長度。與此不同，平均高度Ra，是算術平均高度，是指從粗糙度曲線中朝其平均線的方向只抽取其基準長度，朝該抽取部分的平均線的方向取X軸，朝縱倍率的方向取y軸，用y＝ft(X)表示粗糙度曲線時，將根據下式[數字式1]Ra=1l∫01|f(x)|dx]]>求出的值，用微米(μm)表示的物理量。例如使用#1000目的研磨材料研磨壓電體6的粘接面時，最大高度是5μm左右，平均高度是1μm左右。外殼4的表面粗糙度也一樣，作為粘接劑7的厚度，為10μm以下，最好是2～3μm。
這時，能否確保足夠的粘接強度，可以參照廠家的樣本數據推定。但由于抗拉硬度隨著硬化條件及粘接條件而變，所以最好考慮實際的硬化條件及粘接條件等，試制出樣品后，實際測量。作為評價能否確保足夠的粘接強度的方法，可以采用使用拉伸試驗機的拉伸試驗。
圖13是表示這次使用的拉伸試驗用的樣品的示意圖，105是拉伸試驗用夾具，106是鋁塊，107是其它種類的粘接劑。用要評價的粘接劑，按照和超聲波振動器100一樣的粘接條件，將鋁塊106和外殼4粘到一起，再用拉伸試驗用夾具105夾住，從兩側用更強有力的粘接劑107粘接后，制作出樣品。將制成的樣品，放到拉伸試驗機上，用拉伸試驗用夾具105朝圖13的箭頭方向拉伸，測定鋁塊106和外殼4之間的粘接劑7產生剝離的時刻的拉伸應力，評價粘接強度。粘接強度將5～30MPa作為基本，采用10MPa以上的材料。關于粘接強度，在通常的使用中，5MPa以上就盡夠。通常發送超聲波時的粘接界面的壓力是1MPa以下。可是，在外殼和壓電體無粘接劑地剛性接合時，給予60℃左右的溫度變化(例如20℃～80℃)后，在熱沖擊試驗中，產生10MPa以上的應力。粘接劑緩和這些應力的發生，實際成為5MPa以下。但是考慮到對于耐久性的安全率后，宜采用10MPa以上的粘接強度。另外，粘接強度太高的粘接劑，通常堅硬，線膨脹系數的緩和作用往往下降，所以將30MPa以下作為基本。
(其它記述)進而，作為其它應當考慮的因素，有玻璃化轉移點Tg。玻璃化轉移點Tg在使厚度約為1.5mm的樣品硬化后，采用已知的熱機械性分析法等計測。作為玻璃化轉移點Tg，將40℃～120℃作為基本，50℃～90℃以內的最適合。因為玻璃化轉移點Tg小于40℃時，傳感器的特性容易變得不穩定。在高分子材料中，在玻璃化轉移點Tg以上，分子結構成為橡膠狀。橡膠狀態的高分子材料，在超聲波區域中的損失變大，所以考慮到傳感器特性，通常宜于在玻璃化轉移點Tg以下的玻璃狀態中使用。但象本發明的超聲波收發器那樣，使用溫度范圍寬廣，特別是在高溫中使用時，在高溫域中使用橡膠狀區域，使各部的熱變形緩和后，就能提高耐久性。反之，關于玻璃化轉移點Tg高的材料，由于直到高溫為止也很堅硬，所以使外殼和壓電元件的線膨脹系數緩和的作用小，另外硬度也一般很硬。所以，在玻璃化轉移點Tg中，將40℃～120℃作為基本、50℃～90℃最適合。
為了選定在本發明的上述第1實施方式中使用的粘接劑7，表1列出對A～G等7種粘接劑7進行評價的結果以及將熱沖擊試驗(將-40℃和85℃各進行30分鐘的試驗)進行了100個循環后的接收電壓的初始狀態之比和電容量初始狀態之比。
使用鉛筆硬度B、翹曲試驗大致為0％、玻璃化轉移點Tg約59℃、粘接強度為11.1Mpa的粘接劑E后，能夠實現不出現外殼4和壓電體6的粘接剝離及壓電體6的破損、經過100個循環的熱沖擊試驗后接收電壓及電氣容量也都不會劣化的耐久性優異的超聲波振動器。
下面，利用圖3(a)～(g)，講述本發明的上述第1實施方式的超聲波振動器100的制造方法。作為向壓電體6的粘接劑涂敷面涂敷粘接劑7的方法，例如可以列舉網板印刷方式及復制方式等。壓電體6，安裝在壓電體固定夾具13上。從壓電體固定夾具13露出的壓電體6的階差，將0mm～0.2mm作為基本，使壓電體6只高出約0.1mm地設計壓電體固定夾具13，或者設置未圖示的階差調整板。將壓電體固定夾具13固定到印刷臺14上，再將網板15蓋在其上。這時，在壓電體6和網板15之間，將設置0mm～1.5mm的間隙t，作為基本，最好是0.3mm～0.8mm以內，例如設置約0.5mm左右的間隙t。在網板15上，對其它部分進行遮蔽，以便使粘接劑7只涂敷到壓電體6的粘接劑涂敷部分上。作為網板15的開口尺寸，將比壓電體6的粘接劑涂敷部分單側小0mm～0.2mm作為基本，例如大約小0.1mm左右。接著，如圖3的(b)所示，將用未圖示的脫泡機排除了空氣的粘接劑7放置到網板15上。用刮板16涂敷粘接劑7。如圖3的(c)和(d)所示，一邊朝垂直于壓電體6的方向給刮板16施加某一載荷，一邊沿著壓電體6的粘接劑涂敷部分的平面使其移動，從而向壓電體6涂敷粘接劑7。一次涂敷粘接劑7的壓電體6的數目，是1～25個左右，選擇可以在涂敷后的粘接劑7的厚度為10～20μm的范圍內均勻涂敷的個數。接著，如圖3的(e)所示，將涂敷了粘接劑7的壓電體6改放到粘接劑硬化夾具17上。此外，還可以將壓電體固定夾具13作為粘接劑硬化夾具17的一部分使用。接著，如圖3的(f)和(g)所示，從上給壓電體6的粘接劑7的涂敷面蓋上外殼4后，從外殼4上用加壓夾具18的加壓部件18a向壓電體6外加一樣的載荷。例如，采用已知的彈簧負荷式外加載荷，在該狀態下使粘接劑7硬化。這樣，用粘接劑7粘接的外殼4和壓電體6，如圖1所示，壓電體6的電極部和信號用外部端子10a，分別被引出線12釬焊。端子板9和外殼4的外殼支持部8經過電焊后，被固定到外殼4上。將外殼4和端子板9焊接后，在使電極被接地的同時，還起密封壓電體6的作用。這時，將收納壓電體6的空間、而且在外殼4和端子板9之間被密封的空間內的空氣，用干燥的惰性氣體等置換，從而能夠防止壓電體6的電極部及粘接劑7的劣化。
此外，作為向壓電體6涂敷粘接劑7的其它手段的復制方式，例如從將粘接劑7的厚度均勻地成為10～20μm的部分，如圖4(a)所示，用復制銷19取得需要量的粘接劑7，再如圖4(b)所示，將復制銷19靠到壓電體6的涂敷面上，能夠使粘接劑7涂敷到壓電體6的涂敷面上。另外，還可如圖5(a)所示，對聚酰亞胺板20等復制粘接劑7的形狀的部分進行凹加工，形成凹部20a，然后如圖5(b)所示，將粘接劑7埋入凹部20a，再如圖5(c)所示，在埋入粘接劑7的凹部20a上，持續按壓壓電體6，就可以將凹部20a粘接劑7復制到壓電體6的粘接劑涂敷面上。
下面，使用圖6，講述使用采用以上方法制作的超聲波振動器100的超聲波流量計。
在計算、測定流過的被測定流體的流量的流量測定部21上，圍住被測定流體的通路21a地構成圓形或矩形筒狀地設置著側壁部22、23。超聲波振動器24、25，收發超聲波的面相對地被傾斜于側壁部22、23地設置的振動器安裝孔26、27所固定。由于作為被測量流體，可以想定是測量空氣、氫、可燃性氣體之類氣體及水、煤油、石油等液體的流體，所以在超聲波振動器24、25和振動器安裝孔26、27之間，施加密封材料28、29，以免氣體或液體泄露。作為測定方法，例如使用已知的聲循環法。30是計測在用超聲波振動器24、25構成的收發器間的超聲波的傳播時間的計測部，31是根據計測部30的計測結果，進行各種修正，計算求出流量的流量運算部。
下面，進一步詳細講述使用聲循環法時的測定原理。首先，將驅動用的無線電脈沖電壓信號外加到由超聲波振動器24構成的第1超聲波收發器上，由第1超聲波收發器24發射超聲波無線電脈沖電壓信號后，該超聲波無線電脈沖電壓信號在距離為L的傳播路線中傳播，在t時間后，到達由超聲波振動器25構成的第2超聲波收發器25上。在第2超聲波收發器25中，能夠只將傳播來的超聲波無線電脈沖電壓信號按照高S/N比變換成電氣無線電脈沖電壓信號。將該電氣無線電脈沖電壓信號電氣性地放大后，再次外加給第1超聲波收發器24，發射超聲波無線電脈沖電壓信號。將這種裝置，叫做“聲循環裝置”；將超聲波脈沖由超聲波收發器24發射、在傳播路線中傳播、到達超聲波收發器25所需的時間，叫做“聲循環周期”；將其倒數，叫做“聲循環頻率”。
在圖6中，設流過管狀的通路21a中的流體的流速為V、流體中的超聲波的速度為C、流體的流動方向和超聲波脈沖的傳播方向之間的角度為θ。將第1超聲波收發器24作為接收器發送器、將第2超聲波收發器25作為接收器接收器使用時，如果設從超聲波收發器24出來的超聲波脈沖到達超聲波收發器25的時間為t1，聲循環頻率為f1，下列公式(1)就成立。
f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L…(1)反之，如果設將第2超聲波收發器25作為接收器發送器、將第1超聲波收發器24作為接收器接收器使用時的聲循環周期為t2，聲循環周期為f2，下列公式(2)就成立。
f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L…(2)這樣，兩聲循環頻率的頻率差Δf，成為下列公式(3)，根據超聲波傳播線路的距離L和頻率差Δf，能夠求出流體的流速V。
Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L…(3)就是說，能夠根據超聲波的傳播路線的距離L和頻率差Δf，求出流體的流速V，可以根據該流速V，通過計算求出流量后，進行流量測定。
因此，在室外使用的溫度范圍中，通過使用可靠性優異的超聲波振動器24、25，從而能夠提供即使在室外長期使用超聲波振動器24、25也不會被破壞的、具有耐久性的超聲波流量計。
此外，在第1實施方式中，將外殼4的形狀作為有頂筒狀，但也可以是平板及流量測定部21的外壁的平滑的部分。另外，將外殼4的材質定為不銹鋼，但也可以是鋁、鋁壓鑄件等金屬。
(第2實施方式)圖14是本發明的第2實施方式的超聲波振動器的剖面圖。
在圖14中，120是取得和成為被測定對象的流體的音響性的整合、為使超聲波振動器高效率化的音響整合層。其它結構和第1實施方式相同。
音響整合層120，根據被測定對象物的流體選擇材料，流體是液體時，可以使用向環氧樹脂等混入各種充填物的材料及玻璃、石墨等無機材料。流體是空氣、城市煤氣等時，可以用樹脂系材料將中空玻璃球集中到一起的復合材料及無機/有機的多孔質體形成音響整合層120。音響整合層120，是取得發射超聲波的壓電體6和被測定流體的影響性的整合的元件，如果設壓電體6的音響阻抗為Z1、被測定流體的音響阻抗為Z2、音響整合層120的音響阻抗為Z3時，設計成能夠滿足下列公式(4)。
Z1＞Z3＞Z2…(4)另外，通過設計成對于壓電體6發射的超聲波的頻率而言為1/4波長的厚度，可以使超聲波的收發有效的進行。
在設置音響整合層120時，需要考慮音響整合層120的線膨脹系數。特別是在音響整合層120中使用樹脂材料或混入各種充填物等的復合材料時，線膨脹系數通常比外殼4的不銹鋼材料大，所以伴隨溫度變化的變形往往更加擴大。但是和第1實施方式一樣，采用通過壓電體6和外殼4的粘接劑選定及制作工藝后，能夠構成承受熱沖擊的傳感器。作為音響整合層120，試制出混入微小的中空玻璃球的環氧樹脂的復合材料的超聲波振動器。壓電體6和外殼4，和第1實施方式一樣，選擇了表1的粘接劑E。另外，音響整合層120和外殼4，使用表1的粘接劑B進行了試制。將試制的超聲波振動器進行熱沖擊試驗(在-40℃和85℃每次各進行30分鐘的試驗)的結果，經過100個循環后，也沒有測定到接收電壓的下降及電氣容量的變化。
綜上所述，通過適當選定粘接壓電體6和外殼4的粘接劑7，即使有音響整合層120，也能實現對溫度變化穩定地動作的超聲波振動器，進而通過具有音響整合層120后，還實現了收發的高效率化。使用本超聲波振動器的超聲波流量計，因為改善了S/N，所以精度更高、溫度穩定性更優異。
以上，一邊參照附圖，一邊詳細記述了與理想的實施方式關聯的本發明。對熟息該技術人們來說，顯然有各種變形及修正。那些變形及修正，只要符合權利要求書的范圍規定的本發明的范圍，就應該理解為被本發明包含。
綜上所述，本發明涉及的超聲波振動器及使用它的超聲波流量計，因為能夠防止熱沖擊試驗造成的壓電體和被粘接固定體的粘接部的剝離及壓電體的破損，所以即使在室外的環境下也能長期使用，在測定城市煤氣及LP的流量的燃氣表、測定自來水管的水量的水表、燃料電池的氫及燃料氣體的流量測定裝置、汽車用的距離傳感器等用途中，都能夠應用。
權利要求
1.一種超聲波振動器，具備壓電體(6)；被粘接固定體(4)，其由具有頂部和側壁部的金屬制的有頂外殼構成；以及粘接劑(7)，其將所述壓電體固定在所述被粘接固定體的所述頂部的內壁面(5)，而且具有通過伸縮使所述壓電體與所述被粘接固定體之間的線膨脹系數的差異得到緩和的線膨脹緩和功能。
2.如權利要求1所述的超聲波振動器，其特征在于所述粘接劑(7)，具有鉛筆硬度試驗中的H～5B的鉛筆硬度。
3.如權利要求2所述的超聲波振動器，其特征在于所述粘接劑(7)，在被涂敷成長方形狀的所述粘接劑中的端部相對于中央部而言的撓曲的高度尺寸、與在所述粘接劑被涂敷成長方形狀時的長邊的長度之比，大約在5％以下。
4.如權利要求2所述的超聲波振動器，其特征在于所述粘接劑(7)，具有5～30MPa的粘接強度。
5.如權利要求2所述的超聲波振動器，其特征在于所述粘接劑(7)，具有40℃～120℃的玻璃化轉移點。
6.如權利要求1所述的超聲波振動器，其特征在于所述粘接劑(7)，具有鉛筆硬度試驗中的H～5B的鉛筆硬度；在被涂敷成長方形狀的所述粘接劑(7)中的端部相對于中央部而言的撓曲的高度尺寸、與在所述粘接劑(7)被涂敷成長方形狀時的長邊的長度之比，大約在5％以下；具有5～30MPa的粘接強度；具有40℃～120℃的玻璃化轉移點。
7.如權利要求1～6任一項所述的超聲波振動器，其特征在于所述粘接劑(7)，與所述被粘接固定體(4)或所述壓電體(6)相比，是軟質的。
8.如權利要求1～6任一項所述的超聲波振動器，其特征在于所述粘接劑，由平均2～3μm的厚度的層構成。
9.如權利要求1～6任一項所述的超聲波振動器，其特征在于所述壓電體(6)，具有槽(101)，該槽(101)沿著固定有所述壓電體的所述被粘接固定體的所述項部的所述內壁面的厚度方向形成。
10.如權利要求1～6任一項所述的超聲波振動器，其特征在于還具有端子板(9)，其被固定在所述有頂外殼的開放端，用所述有頂外殼和所述端子板密封所述壓電體(6)。
11.一種超聲波流量計，具備流量測定部(21)，其測定流動的被測定流體的流量；一對權利要求1～10任一項所述的超聲波振動器(24、25)，它們設置在所述流量測定部中，對所述被測定流體收發超聲波；計測部(30)，其計測在所述一對超聲波振動器之間的傳播時間；流量運算部(31)，其根據來自所述計測部的信號，求出所述被測定流體的流量。
全文摘要
采用通過粘接劑(7)的伸縮來緩和外殼(4)與壓電體(6)的熱膨脹系數的差異的結構，能夠防止外殼(4)與壓電體(6)的連接剝離及壓電體(6)的破損。其結果，即使在室外使用的環境下也能長期使用超聲波振動器。
文檔編號G01F1/66GK1846457SQ20048002490
公開日2006年10月11日 申請日期2004年9月17日 優先權日2003年9月18日
發明者足立明久, 佐藤真人, 橋本雅彥 申請人:松下電器產業株式會社
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
