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特開2024-45798超音波センサの製造方法、超音波センサ、及び、超音波流量計
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024045798
(43)【公開日】2024-04-03
(54)【発明の名称】超音波センサの製造方法、超音波センサ、及び、超音波流量計
(51)【国際特許分類】
G01F 1/667 20220101AFI20240327BHJP
H04R 31/00 20060101ALI20240327BHJP
H04R 17/00 20060101ALI20240327BHJP
【ＦＩ】
G01F1/667 A
H04R31/00 330
H04R17/00 330G
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022150783
(22)【出願日】2022-09-22
(71)【出願人】
【識別番号】000006666
【氏名又は名称】アズビル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003166
【氏名又は名称】弁理士法人山王内外特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】安永 武史
(72)【発明者】
【氏名】原田 大雅
【テーマコード（参考）】
2F035
5D019
【Ｆターム（参考）】
2F035DA14
5D019AA18
5D019FF02
5D019GG09
5D019GG12
5D019HH03
(57)【要約】
【課題】従来に対し、計測時に熱履歴が加えられる場合であっても、計測精度の低下を抑制可能とする。
【解決手段】圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３並びに音響整合層１０２２及び当該金属振動板１０２３が接着剤により接着された超音波センサ１０２に対し、当該超音波センサ１０２の運用前に、当該接着部分での変形又は当該変形に伴う当該接着剤との部分的な剥離を発生させる応力緩和処理を有する。
【選択図】図５
【解決手段】圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３並びに音響整合層１０２２及び当該金属振動板１０２３が接着剤により接着された超音波センサ１０２に対し、当該超音波センサ１０２の運用前に、当該接着部分での変形又は当該変形に伴う当該接着剤との部分的な剥離を発生させる応力緩和処理を有する。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧電素子及び金属振動板並びに音響整合層及び当該金属振動板が接着剤により接着された超音波センサに対し、当該超音波センサの運用前に、当該接着部分での変形又は当該変形に伴う当該接着剤との部分的な剥離を発生させる応力緩和処理
を有する超音波センサの製造方法。
を有する超音波センサの製造方法。
【請求項2】
前記応力緩和処理において、前記超音波センサに対し、当該超音波センサの運用前に、熱履歴を加える
ことを特徴とする請求項１記載の超音波センサの製造方法。
ことを特徴とする請求項１記載の超音波センサの製造方法。
【請求項3】
前記応力緩和処理において、前記超音波センサを、当該超音波センサの運用前に、高電圧で駆動させる
ことを特徴とする請求項１記載の超音波センサの製造方法。
ことを特徴とする請求項１記載の超音波センサの製造方法。
【請求項4】
圧電素子と、
音響整合層と、
前記圧電素子及び前記音響整合層が接着剤により接着された金属振動板とを備え、
前記圧電素子、前記音響整合層及び前記金属振動板は、自機の運用前に、接着部分での変形又は当該変形に伴う前記接着剤との部分的な剥離を発生させられた
ことを特徴とする超音波センサ。
音響整合層と、
前記圧電素子及び前記音響整合層が接着剤により接着された金属振動板とを備え、
前記圧電素子、前記音響整合層及び前記金属振動板は、自機の運用前に、接着部分での変形又は当該変形に伴う前記接着剤との部分的な剥離を発生させられた
ことを特徴とする超音波センサ。
【請求項5】
互いに超音波の送受信を行う一対の超音波センサと、
前記超音波センサによる送受信結果に基づいて、計測対象である流体の流量計測を行う演算部とを備え、
前記超音波センサは、
圧電素子と、
音響整合層と、
前記圧電素子及び前記音響整合層が接着剤により接着された金属振動板とを備え、
前記圧電素子、前記音響整合層及び前記金属振動板は、自機の運用前に、接着部分での変形又は当該変形に伴う前記接着剤との部分的な剥離を発生させられた
ことを特徴とする超音波流量計。
前記超音波センサによる送受信結果に基づいて、計測対象である流体の流量計測を行う演算部とを備え、
前記超音波センサは、
圧電素子と、
音響整合層と、
前記圧電素子及び前記音響整合層が接着剤により接着された金属振動板とを備え、
前記圧電素子、前記音響整合層及び前記金属振動板は、自機の運用前に、接着部分での変形又は当該変形に伴う前記接着剤との部分的な剥離を発生させられた
ことを特徴とする超音波流量計。
【請求項6】
前記演算部は、
前記一対の超音波センサによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差を計測する伝搬時間差計測部と、
前記一対の超音波センサが超音波の送受信を行った際の温度を計測する温度計測部と、
前記伝搬時間差計測部による計測結果及び前記温度計測部による計測結果に基づいて、流量が０の場合での超音波の伝搬時間差の温度特性を取得するオフセット取得部と、
前記伝搬時間差計測部による計測結果、前記温度計測部による計測結果、及び、前記オフセット取得部による取得結果に基づいて、超音波の伝搬時間差のオフセット補正を行うオフセット補正部と、
前記オフセット補正部によるオフセット補正後の超音波の伝搬時間差に基づいて、流体の流量を算出する流量算出部とを有する
ことを特徴とする請求項５記載の超音波流量計。
前記一対の超音波センサによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差を計測する伝搬時間差計測部と、
前記一対の超音波センサが超音波の送受信を行った際の温度を計測する温度計測部と、
前記伝搬時間差計測部による計測結果及び前記温度計測部による計測結果に基づいて、流量が０の場合での超音波の伝搬時間差の温度特性を取得するオフセット取得部と、
前記伝搬時間差計測部による計測結果、前記温度計測部による計測結果、及び、前記オフセット取得部による取得結果に基づいて、超音波の伝搬時間差のオフセット補正を行うオフセット補正部と、
前記オフセット補正部によるオフセット補正後の超音波の伝搬時間差に基づいて、流体の流量を算出する流量算出部とを有する
ことを特徴とする請求項５記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、超音波を用いて流体の流量計測を行う超音波流量計に用いられる超音波センサの製造方法、超音波センサ、及び、超音波流量計に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、超音波を用い、計測対象である流体の流量計測を行う超音波流量計が知られている（例えば特許文献１参照）。ここでは、超音波流量計のうち、特に、伝搬時間方式の超音波流量計を対象としている。
【0003】
この特許文献１に開示された伝搬時間方式の超音波流量計では、一対の超音波センサを用いて計測対象である流体が流れる流路に対して超音波を交互に送受信することによって、その２つの超音波の伝搬時間差であるΔｔを求める。そして、この超音波流量計では、上記伝搬時間差に基づいて、流路内を流れる流体の流量を計測する。
【0004】
なお、一般的に、流量が０の場合での伝搬時間差は、一対の超音波センサの特性差によって、０から変化することは公知である。
【0005】
一方、超音波センサでは、圧電素子が金属振動板にロー付けされている。また、この圧電素子の熱膨張係数と、金属振動板の熱膨張係数とは異なる。
そのため、この超音波センサは、熱負荷が繰り返し加えられる試験（以下、熱衝撃試験と称す）が行われると、圧電素子と金属振動板との間の接着部が破損してしまう。
そのため、この超音波センサは、熱負荷が繰り返し加えられる試験（以下、熱衝撃試験と称す）が行われると、圧電素子と金属振動板との間の接着部が破損してしまう。
【0006】
そこで、これに対し、圧電素子とケースとを接着する接着剤を、熱膨張係数の観点から適切に選定した超音波センサが知られている（例えば特許文献２参照）。この特許文献２では、接着剤について、材質をエポキシ樹脂とし、硬化時の硬さを鉛筆硬度評価方法におけるＨＢから２Ｂとし、硬化時の内部応力をポリイミドを用いた所定のひずみ評価方法における１０％以下とし、ガラス転移点を５０℃から９０℃以内とし、接着強度を１０Ｎ／ｍｍ２以上としている。
【0007】
この構成では、熱衝撃試験による圧電素子とケースとの熱膨張係数の違いを接着剤が伸びることにより緩和する。よって、圧電素子とケースとの接続部が破損することを妨げることができる。
その結果、屋外で使用する環境下においても、長期間にわたり圧電素子とケースとの接続を破損することが防止できる。
その結果、屋外で使用する環境下においても、長期間にわたり圧電素子とケースとの接続を破損することが防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開２０１９－１８４４８８号公報
【特許文献2】特開２００３－２７００１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
この特許文献２に開示された構成では、圧電素子の熱膨張係数とケースの熱膨張係数との違いに対して、接着剤が伸びることで、圧電素子とケースとの接着部の破損を防ぐことができる。
しかしながら、この特許文献２に開示された構成であっても、熱履歴による超音波センサの特性の変化によって、計測精度が低下してしまう。
しかしながら、この特許文献２に開示された構成であっても、熱履歴による超音波センサの特性の変化によって、計測精度が低下してしまう。
【0010】
すなわち、熱衝撃試験をかけると、接着部のひずみが変化し、破壊とまではいかないとしても、超音波センサの特性(機械的電気的な構造)が変化することがある。この場合、超音波の伝搬時間差の温度特性が変化し、計測に誤差が生じることがある。
【0011】
図１５に、熱衝撃試験前後での超音波の伝搬時間差の温度特性の変化の一例を示す。なお、ここでは、熱衝撃試験として、－３０℃で３０分保持、７０℃で３０分保持という状態を繰り返し２００回かける試験を想定している。また、図１５において、実線が熱衝撃試験前での超音波の伝搬時間差の温度特性を示し、破線が熱衝撃試験後での超音波の伝搬時間差の温度特性を示している。
そして、図１５に示すように、熱衝撃試験の前後で、超音波の伝搬時間差の温度特性に変化が生じている。
そして、図１５に示すように、熱衝撃試験の前後で、超音波の伝搬時間差の温度特性に変化が生じている。
【0012】
本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、計測時に熱履歴が加えられる場合であっても、計測精度の低下を抑制可能となる超音波センサの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本開示に係る超音波センサの製造方法は、圧電素子及び金属振動板並びに音響整合層及び当該金属振動板が接着剤により接着された超音波センサに対し、当該超音波センサの運用前に、当該接着部分での変形又は当該変形に伴う当該接着剤との部分的な剥離を発生させる応力緩和処理を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本開示によれば、上記のように構成したので、従来に対し、計測時に熱履歴が加えられる場合であっても、計測精度の低下を抑制可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】実施の形態１に係る超音波流量計の構成例を示す図である。
【図2】実施の形態１における超音波センサの構成例を示す図である。
【図3】実施の形態１における超音波センサに対する応力緩和処理の一例を示す図である。
【図6】実施の形態１における超音波センサの製造方法の原理を説明するための図である。
【図7】実施の形態１における超音波センサの製造方法の原理を説明するための図である。
【図8】実施の形態１における超音波センサの製造方法の原理を説明するための図である。
【図9】実施の形態１における演算部の構成例を示す図である。
【図10】実施の形態１における演算部の動作例を示すフローチャートである。
【図11】実施の形態１における演算部の動作例を示すフローチャートである。
【図12】実施の形態１における演算部の動作例を示すフローチャートである。
【図15】従来の超音波センサを用いた超音波流量計での熱衝撃試験前後での超音波の伝搬時間差の温度特性の変化の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る超音波流量計１の構成例を示す図である。
超音波流量計１は、超音波を用いて計測対象である流体の流量を計測する。この超音波流量計１は、図１に示すように、計測管１０１、一対の超音波センサ１０２（第１の超音波センサ１０２－１及び第２の超音波センサ１０２－２）、及び、演算部１０３を備えている。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る超音波流量計１の構成例を示す図である。
超音波流量計１は、超音波を用いて計測対象である流体の流量を計測する。この超音波流量計１は、図１に示すように、計測管１０１、一対の超音波センサ１０２（第１の超音波センサ１０２－１及び第２の超音波センサ１０２－２）、及び、演算部１０３を備えている。
【0017】
計測管１０１は、内部に超音波流量計１が計測対象とする流体が流れる管である。
【0018】
第１の超音波センサ１０２－１は、計測管１０１の側壁における上流側に取付けられ、計測管１０１内で第２の超音波センサ１０２－２との間で超音波の送受信を交互に繰り返す超音波振動子である。すなわち、第１の超音波センサ１０２－１は、演算部１０３による制御に応じて計測管１０１内で下流側（第２の超音波センサ１０２－２）に対して超音波を送信し、また、下流側（第２の超音波センサ１０２－２）からの超音波を受信信号として受信する。
この第１の超音波センサ１０２－１により受信された受信信号は、演算部１０３に出力される。
この第１の超音波センサ１０２－１により受信された受信信号は、演算部１０３に出力される。
【0019】
第２の超音波センサ１０２－２は、計測管１０１の側壁における下流側に取付けられ、計測管１０１内で第１の超音波センサ１０２－１との間で超音波の送受信を交互に繰り返す超音波振動子である。すなわち、第２の超音波センサ１０２－２は、演算部１０３による制御に応じて計測管１０１内で上流側（第１の超音波センサ１０２－１）に対して超音波を送信し、また、上流側（第１の超音波センサ１０２－１）からの超音波を受信信号として受信する。
この第２の超音波センサ１０２－２により受信された受信信号は、演算部１０３に出力される。
この第２の超音波センサ１０２－２により受信された受信信号は、演算部１０３に出力される。
【0020】
なお、第１の超音波センサ１０２－１及び第２の超音波センサ１０２－２の位置関係は、第１の超音波センサ１０２－１及び第２の超音波センサ１０２－２で用いられる超音波の伝搬経路に応じて適宜設計される。
【0021】
この超音波センサ１０２（第１の超音波センサ１０２－１及び第２の超音波センサ１０２－２）の構成例については、後述する。
【0022】
演算部１０３は、第１の超音波センサ１０２－１による送受信結果、及び、第２の超音波センサ１０２－２による送受信結果に基づいて、計測対象である流体の流量を演算する。
【0023】
また、演算部１０３は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。
【0024】
この演算部１０３の構成例については、後述する。
【0025】
次に、超音波センサ１０２（第１の超音波センサ１０２－１及び第２の超音波センサ１０２－２）の構成例について、図２を参照しながら説明する。
超音波センサ１０２は、図２に示すように、圧電素子（ＰＺＴ）１０２１、音響整合層（ＡＭＬ）１０２２、及び、金属振動板（ＳＵＳ）１０２３を備えている。
超音波センサ１０２は、図２に示すように、圧電素子（ＰＺＴ）１０２１、音響整合層（ＡＭＬ）１０２２、及び、金属振動板（ＳＵＳ）１０２３を備えている。
【0026】
圧電素子１０２１は、入力された高周波（例えば５００ｋＨｚ）の電圧に応じた超音波を出力し、また、入力された超音波に応じた高周波の電圧を出力する。
また、圧電素子１０２１には、電圧の入出力が可能なよう、リード線（不図示）がはんだ付けされている。
また、圧電素子１０２１には、電圧の入出力が可能なよう、リード線（不図示）がはんだ付けされている。
【0027】
音響整合層１０２２は、圧電素子１０２１により出力された超音波を外部に送り、また、外部からの超音波を圧電素子１０２１に送る。
【0028】
金属振動板１０２３は、圧電素子１０２１と音響整合層１０２２とを固定する部材であり、金属により構成された板状部材である。この金属振動板１０２３には、一方の面に圧電素子１０２１が接着剤１０２４により接着され、他方の面に音響整合層１０２２が接着剤１０２４により接着されている。なお、図２では、接着剤１０２４の図示を省略している。
【0029】
そして、この超音波センサ１０２では、応力緩和処理が施されている。実施の形態１では、応力緩和処理は、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３並びに音響整合層１０２２及び当該金属振動板１０２３が接着剤１０２４により接着された超音波センサ１０２に対し、当該超音波センサ１０２の運用前に、当該接着部分での変形及び当該変形に伴う当該接着剤１０２４との部分的な剥離を発生させる処理である。
【0030】
実施の形態１では、特に、応力緩和処理として、超音波センサ１０２に対して、事前に、熱履歴が加えられる。
【0031】
すなわち、実施の形態１では、超音波センサ１０２を恒温槽（試験装置）に入れ、当該恒温槽の温度を、超音波流量計１の試験温度又は熱衝撃試験等の試験温度（例えば－３０℃～７０℃）で変化させる。そして、この変化を１回又は複数回繰り返す。
【0032】
【0033】
なお、恒温槽に入れられる超音波センサ１０２は、超音波流量計１として組み込まれた状態でもよいし、センサ単体でもよい。すなわち、どのような状態であれ、超音波センサ１０２が使用される前に、超音波センサ１０２に任意の熱履歴が加えられればよい。
【0034】
また、超音波センサ１０２に熱履歴を加える際の温度は、任意の使用温度でよい。
また、図３では、恒温槽の温度変化をステップ状の変化とした場合を例に示した。しかしながら、恒温槽の温度変化はこれに限らず、例えば、恒温槽の温度を緩やかに変化させるようにしてもよい。
また、図３では、恒温槽の温度変化をステップ状の変化とした場合を例に示した。しかしながら、恒温槽の温度変化はこれに限らず、例えば、恒温槽の温度を緩やかに変化させるようにしてもよい。
【0035】
また、上記では、試験装置が恒温槽である場合を示した。しかしながら、試験装置はこれに限らず、超音波センサ１０２に対して温度変化を与えることが可能な装置であればよい。例えば、試験装置として、熱衝撃試験装置を用いることも可能である。
【0036】
また、超音波センサ１０２に熱履歴を加える時間は、超音波センサ１０２の温度が安定するまで保持することを想定し、それ以上の保持時間であればよい。
例えば温度を－３０℃から７０℃に変化させるとき、試験装置内の温度は７０℃に達して１０分保持しているかもしれないが、超音波センサ１０２の温度は６５℃までしか到達していない可能性があるため、この場合には、それ以上に保持する必要がある。
例えば温度を－３０℃から７０℃に変化させるとき、試験装置内の温度は７０℃に達して１０分保持しているかもしれないが、超音波センサ１０２の温度は６５℃までしか到達していない可能性があるため、この場合には、それ以上に保持する必要がある。
【0037】
また、繰り返し回数は、１回又は複数回とする。なお、この繰り返し回数は多い程効果がある。
【0038】
上記の条件で、超音波センサ１０２に対して熱履歴をかけることで、実フィールドで温度変化が激しく繰り返し熱履歴かかるような環境にあっても、超音波の伝搬時間差の温度特性に再現性を持つ超音波センサ１０２が得られる。
【0039】
次に、実施の形態１に係る超音波センサ１０２の効果について説明する。
ここで、超音波センサ１０２は、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３、並びに、音響整合層１０２２及び金属振動板１０２３が樹脂材料から成る接着剤１０２４により接着された構造を有している。すなわち、超音波センサ１０２は、熱膨張係数が異なる部材が貼り合わされた構造体である。
よって、図４Ａで符号４１に示すように、この超音波センサ１０２では、上記貼り合わせ状態に起因する内部応力（残留応力）が発生する。
ここで、超音波センサ１０２は、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３、並びに、音響整合層１０２２及び金属振動板１０２３が樹脂材料から成る接着剤１０２４により接着された構造を有している。すなわち、超音波センサ１０２は、熱膨張係数が異なる部材が貼り合わされた構造体である。
よって、図４Ａで符号４１に示すように、この超音波センサ１０２では、上記貼り合わせ状態に起因する内部応力（残留応力）が発生する。
【0040】
そのため、この超音波センサ１０２に熱履歴が加えられると、圧電素子１０２１、金属振動板１０２３及び音響整合層１０２２はそれぞれ膨張するが、熱膨張係数がそれぞれ異なっているため、超音波センサ１０２は例えば図４Ｂに示すように撓むような形状で変形する。図４Ｂにおいて、符号４２は熱膨張係数の違いによる撓みを示している。
その結果、図４Ｂで符号４３に示すように、上記内部応力と熱膨張により生じる応力とによって、圧電素子１０２１と金属振動板１０２３との間の接着部分、及び、音響整合層１０２２と金属振動板１０２３との間の接着部分において、変形と、それに伴う接着剤１０２４との部分的な剥離が発生する。
その結果、図４Ｂで符号４３に示すように、上記内部応力と熱膨張により生じる応力とによって、圧電素子１０２１と金属振動板１０２３との間の接着部分、及び、音響整合層１０２２と金属振動板１０２３との間の接着部分において、変形と、それに伴う接着剤１０２４との部分的な剥離が発生する。
【0041】
そして、内部応力の分布又は大きさによっては、この部分的な剥離が発生する前と後で、超音波センサ１０２の特性（機械的電気的特性）が変化してしまい、超音波の伝搬時間差の温度特性も変化する。更に、内部応力の分布又は大きさによっては、この部分的な剥離が発生する前と後で、超音波センサ１０２のインピーダンスも変化してしまう。
【0042】
そこで、実施の形態１に係る超音波センサ１０２では、事前に、応力緩和処理を施すことで上記課題を解決する。実施の形態１では、超音波センサ１０２に対し、予め熱履歴を加える。
【0043】
ここで、図５に示すように、超音波センサ１０２に対して熱履歴を繰り返しかけると、上記の接着部分での変形及び当該変形に伴う接着剤１０２４との部分的な剥離も繰り返し発生し、徐々に内部応力が緩和される。なお、この際、接着面の一部が剥離するが、導通はしたままの状態である。
そして、内部応力が緩和されるにつれて部分的な剥離がほとんど発生しなくなり、超音波センサ１０２が繰り返し熱履歴をかけた温度範囲において安定して変形する状態になる。
また、接着不足の部分においても剥離が起こり、安定して変形する状態になる。
そして、内部応力が緩和されるにつれて部分的な剥離がほとんど発生しなくなり、超音波センサ１０２が繰り返し熱履歴をかけた温度範囲において安定して変形する状態になる。
また、接着不足の部分においても剥離が起こり、安定して変形する状態になる。
【0044】
そして、上記の現象に対し、超音波の伝搬時間差の温度特性に着目すると、図６に示すように、超音波センサ１０２に対して熱履歴を繰り返しかけることで、超音波の伝搬時間差の温度特性が徐々に変化し、その特性が安定（再現性が向上）していく。
また、上記の現象に対し、超音波センサ１０２のインピーダンス特性に着目すると、超音波センサ１０２に対して熱履歴を繰り返しかけることで、インピーダンス特性が徐々に変化し、その特性が安定（再現性が向上）していく。
また、上記の現象に対し、超音波センサ１０２のインピーダンス特性に着目すると、超音波センサ１０２に対して熱履歴を繰り返しかけることで、インピーダンス特性が徐々に変化し、その特性が安定（再現性が向上）していく。
【0045】
そして、図７に示すように、安定した状態の超音波センサ１０２では、熱履歴が加えられても、超音波の伝搬時間差の温度特性の変化は見られなくなる。なお、図７において、実線が熱衝撃試験前での超音波の伝搬時間差の温度特性を示し、破線が熱衝撃試験後での超音波の伝搬時間差の温度特性を示している。
また、図８に示すように、安定した状態の超音波センサ１０２では、熱履歴が加えられても、超音波センサ１０２のインピーダンス特性についても変化が見られなくなる。なお、図８において、実線が熱衝撃試験前での超音波センサ１０２のインピーダンス特性を示し、破線が熱衝撃試験後での超音波センサ１０２のインピーダンス特性を示している。
また、図８に示すように、安定した状態の超音波センサ１０２では、熱履歴が加えられても、超音波センサ１０２のインピーダンス特性についても変化が見られなくなる。なお、図８において、実線が熱衝撃試験前での超音波センサ１０２のインピーダンス特性を示し、破線が熱衝撃試験後での超音波センサ１０２のインピーダンス特性を示している。
【0046】
次に、演算部１０３の構成例について、図９を参照しながら説明する。
演算部１０３は、図９に示すように、記憶部１０３１、伝搬時間差計測部１０３２、温度計測部１０３３、オフセット取得部１０３４、オフセット補正部１０３５、及び、流量算出部１０３６を備えている。
演算部１０３は、図９に示すように、記憶部１０３１、伝搬時間差計測部１０３２、温度計測部１０３３、オフセット取得部１０３４、オフセット補正部１０３５、及び、流量算出部１０３６を備えている。
【0047】
記憶部１０３１は、演算部１０３で扱われる各種のデータを記憶する。例えば、記憶部１０３１は、オフセット取得部１０３４により取得された超音波の伝搬時間差の温度特性を示すデータを記憶する。
この記憶部１０３１は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）又はメモリ等によって構成される。
この記憶部１０３１は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）又はメモリ等によって構成される。
【0048】
なお、図９では、記憶部１０３１が演算部１０３の内部に設けられた場合を示した。しかしながら、これに限らず、記憶部１０３１は演算部１０３の外部に設けられていてもよい。
【0049】
伝搬時間差計測部１０３２は、第１の超音波センサ１０２－１による送受信結果、及び、第２の超音波センサ１０２－２による送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差を算出する。
なお、伝搬時間差計測部１０３２による超音波の伝搬時間差の算出方法については、既存技術を適用可能であり、その説明を省略する。
なお、伝搬時間差計測部１０３２による超音波の伝搬時間差の算出方法については、既存技術を適用可能であり、その説明を省略する。
【0050】
温度計測部１０３３は、第１の超音波センサ１０２－１及び第２の超音波センサ１０２－２が超音波の送受信を行った際の温度を計測する。
【0051】
オフセット取得部１０３４は、伝搬時間差計測部１０３２による計測結果及び温度計測部１０３３による計測結果に基づいて、流量が０の場合での超音波の伝搬時間差の温度特性を取得する。
【0052】
オフセット補正部１０３５は、伝搬時間差計測部１０３２により計測結果、温度計測部１０３３による計測結果、及び、オフセット取得部１０３４による取得結果に基づいて、伝搬時間差計測部１０３２により計測された超音波の伝搬時間差のオフセット補正を行う。
この際、オフセット補正部１０３５は、オフセット取得部１０３４により取得された超音波の伝搬時間差の温度特性から、温度計測部１０３３により計測された温度に対応する温度での超音波の伝搬時間差を抽出する。そして、オフセット補正部１０３５は、伝搬時間差計測部１０３２により計測された超音波の伝搬時間差から、上記抽出した超音波の伝搬時間差を差し引くことで、オフセット補正を行う。
この際、オフセット補正部１０３５は、オフセット取得部１０３４により取得された超音波の伝搬時間差の温度特性から、温度計測部１０３３により計測された温度に対応する温度での超音波の伝搬時間差を抽出する。そして、オフセット補正部１０３５は、伝搬時間差計測部１０３２により計測された超音波の伝搬時間差から、上記抽出した超音波の伝搬時間差を差し引くことで、オフセット補正を行う。
【0053】
流量算出部１０３６は、オフセット補正部１０３５によるオフセット補正後の超音波の伝搬時間差に基づいて、計測対象である流体の流量を算出する。
この流量算出部１０３６による流量算出動作については、既存技術を適用可能であり、その説明を省略する。
この流量算出部１０３６による流量算出動作については、既存技術を適用可能であり、その説明を省略する。
【0054】
次に、実施の形態１における演算部１０３の動作例について、図１０を参照しながら説明する。
実施の形態１における演算部１０３の動作例では、図１０に示すように、まず、演算部１０３は、オフセット補正値を取得する（ステップＳＴ１００１、オフセット補正値取得動作）。この演算部１０３によるオフセット補正値取得動作例については、後述する。
実施の形態１における演算部１０３の動作例では、図１０に示すように、まず、演算部１０３は、オフセット補正値を取得する（ステップＳＴ１００１、オフセット補正値取得動作）。この演算部１０３によるオフセット補正値取得動作例については、後述する。
【0055】
次いで、演算部１０３は、オフセット補正値を用いて、計測対象である流体の流量計測を行う（ステップＳＴ１００２、流量計測動作）。この演算部１０３による流量計測動作例については、後述する。
【0056】
次に、実施の形態１における演算部１０３によるオフセット補正値取得動作について、図１１を参照しながら説明する。
実施の形態１における演算部１０３によるオフセット補正値取得動作例では、図１１に示すように、まず、伝搬時間差計測部１０３２は、流量が０の場合における第１の超音波センサ１０２－１による送受信結果、及び、第２の超音波センサ１０２－２による送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差を算出する（ステップＳＴ１１０１）。
なお、伝搬時間差計測部１０３２による超音波の伝搬時間差の算出方法については、既存技術を適用可能であり、その説明を省略する。
実施の形態１における演算部１０３によるオフセット補正値取得動作例では、図１１に示すように、まず、伝搬時間差計測部１０３２は、流量が０の場合における第１の超音波センサ１０２－１による送受信結果、及び、第２の超音波センサ１０２－２による送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差を算出する（ステップＳＴ１１０１）。
なお、伝搬時間差計測部１０３２による超音波の伝搬時間差の算出方法については、既存技術を適用可能であり、その説明を省略する。
【0057】
また、温度計測部１０３３は、第１の超音波センサ１０２－１及び第２の超音波センサ１０２－２が超音波の送受信を行った際の温度を計測する（ステップＳＴ１１０２）。
【0058】
そして、上記のステップＳＴ１１０１及びステップＳＴ１１０２の処理を、超音波流量計１の使用温度（例えば‐３０℃～６０℃）において温度を変えながら繰り返し実施する。
【0059】
次いで、オフセット取得部１０３４は、伝搬時間差計測部１０３２による計測結果及び温度計測部１０３３による計測結果に基づいて、流量が０の場合での超音波の伝搬時間差の温度特性を取得する（ステップＳＴ１１０３）。
【0060】
その後、記憶部１０３１は、オフセット取得部１０３４により取得された超音波の伝搬時間差の温度特性を示すデータを記憶する。
【0061】
このように、実施の形態１における演算部１０３では、超音波流量計１が実際の計測を行う前に、まず、超音波流量計１の使用温度（例えば－３０℃～６０℃）において、流量が０の場合での超音波の伝搬時間差の温度特性を計測する。
【0062】
次に、実施の形態１における演算部１０３による流量計測動作について、図１２を参照しながら説明する。
実施の形態１における演算部１０３による流量計測動作例では、図１２に示すように、まず、伝搬時間差計測部１０３２は、第１の超音波センサ１０２－１による送受信結果、及び、第２の超音波センサ１０２－２による送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差を算出する（ステップＳＴ１２０１）。
実施の形態１における演算部１０３による流量計測動作例では、図１２に示すように、まず、伝搬時間差計測部１０３２は、第１の超音波センサ１０２－１による送受信結果、及び、第２の超音波センサ１０２－２による送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差を算出する（ステップＳＴ１２０１）。
【0063】
また、温度計測部１０３３は、第１の超音波センサ１０２－１及び第２の超音波センサ１０２－２が超音波の送受信を行った際の温度を計測する（ステップＳＴ１２０２）。
【0064】
次いで、オフセット補正部１０３５は、伝搬時間差計測部１０３２により計測結果、温度計測部１０３３による計測結果、及び、オフセット取得部１０３４による取得結果に基づいて、伝搬時間差計測部１０３２により計測された超音波の伝搬時間差のオフセット補正を行う（ステップＳＴ１２０３）。
この際、オフセット補正部１０３５は、オフセット取得部１０３４により取得された超音波の伝搬時間差の温度特性から、温度計測部１０３３により計測された温度に対応する温度での超音波の伝搬時間差を抽出する。そして、オフセット補正部１０３５は、伝搬時間差計測部１０３２により計測された超音波の伝搬時間差から、上記抽出した超音波の伝搬時間差を差し引くことで、オフセット補正を行う。
この際、オフセット補正部１０３５は、オフセット取得部１０３４により取得された超音波の伝搬時間差の温度特性から、温度計測部１０３３により計測された温度に対応する温度での超音波の伝搬時間差を抽出する。そして、オフセット補正部１０３５は、伝搬時間差計測部１０３２により計測された超音波の伝搬時間差から、上記抽出した超音波の伝搬時間差を差し引くことで、オフセット補正を行う。
【0065】
次いで、流量算出部１０３６は、オフセット補正部１０３５によるオフセット補正後の超音波の伝搬時間差に基づいて、計測対象である流体の流量を算出する（ステップＳＴ１２０４）。
この流量算出部１０３６による流量算出動作については、既存技術を適用可能であり、その説明を省略する。
この流量算出部１０３６による流量算出動作については、既存技術を適用可能であり、その説明を省略する。
【0066】
このように、実施の形態１に係る超音波流量計１では、超音波センサ１０２に対して事前に応力緩和処理を行う。すなわち、超音波センサ１０２に対し、予め超音波流量計１の使用温度又は熱衝撃試験等の試験温度において、熱履歴を加えることで、その温度範囲における超音波の伝搬時間差の温度特性の繰り返し再現性を向上させる。このように、超音波センサ１０２に対して繰り返し熱履歴を加えることで、超音波センサ１０２における超音波の伝搬時間差の温度特性が徐々に変化し、最終的にはその特性が安定する。
その後、実施の形態１に係る超音波流量計１は、超音波流量計１の使用温度において、流量が０の場合での超音波の伝搬時間差の温度特性をオフセットとして計測する。
そして、実施の形態１に係る超音波流量計１は、実際の流量計測の際に、計測した超音波の伝搬時間差に対して上記オフセットを用いて補正を行った上で、流量算出を行う。
これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、従来に対し、実フィールドで温度変化が激しく繰り返し熱履歴かかるような環境にあっても、オフセット補正に用いる超音波の伝搬時間差の温度特性が変化し難くなるため、誤差が小さく精度がよい超音波流量計１が得られる。
その後、実施の形態１に係る超音波流量計１は、超音波流量計１の使用温度において、流量が０の場合での超音波の伝搬時間差の温度特性をオフセットとして計測する。
そして、実施の形態１に係る超音波流量計１は、実際の流量計測の際に、計測した超音波の伝搬時間差に対して上記オフセットを用いて補正を行った上で、流量算出を行う。
これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、従来に対し、実フィールドで温度変化が激しく繰り返し熱履歴かかるような環境にあっても、オフセット補正に用いる超音波の伝搬時間差の温度特性が変化し難くなるため、誤差が小さく精度がよい超音波流量計１が得られる。
【0067】
以上のように、この実施の形態１によれば、超音波センサ１０２の製造方法は、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３並びに音響整合層１０２２及び当該金属振動板１０２３が接着剤１０２４により接着された超音波センサ１０２に対し、当該超音波センサ１０２の運用前に、当該接着部分での変形及び当該変形に伴う当該接着剤１０２４との部分的な剥離を発生させる応力緩和処理を有する。また、この際、実施の形態１に係る超音波センサ１０２の製造方法は、応力緩和処理において、超音波センサ１０２に対し、当該超音波センサ１０２の運用前に、熱履歴を加える。これにより、実施の形態１に係る超音波センサ１０２の製造方法は、従来に対し、計測時に熱履歴が加えられる場合であっても、計測精度の低下を抑制可能となる。
【0068】
また、実施の形態１に係る超音波流量計１では、演算部１０３は、一対の超音波センサ１０２による送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差を計測する伝搬時間差計測部１０３２と、一対の超音波センサ１０２が超音波の送受信を行った際の温度を計測する温度計測部１０３３と、伝搬時間差計測部１０３２による計測結果及び温度計測部１０３３による計測結果に基づいて、流量が０の場合での超音波の伝搬時間差の温度特性を取得するオフセット取得部１０３４と、伝搬時間差計測部１０３２による計測結果、温度計測部１０３３による計測結果、及び、オフセット取得部１０３４による取得結果に基づいて、超音波の伝搬時間差のオフセット補正を行うオフセット補正部１０３５と、オフセット補正部１０３５によるオフセット補正後の超音波の伝搬時間差に基づいて、流体の流量を算出する流量算出部１０３６とを有する。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、従来に対し、計測時に熱履歴が加えられる場合であっても、計測精度の低下を抑制可能となる。
【0069】
実施の形態２．
実施の形態１に係る超音波センサ１０２の製造方法では、超音波センサ１０２に対する応力緩和処理として、事前に、超音波センサ１０２に対して熱履歴を加える処理を行う場合を示した。これに対し、実施の形態２に係る超音波センサ１０２の製造方法では、超音波センサ１０２に対する応力緩和処理として、事前に、超音波センサ１０２を高電圧で駆動する処理を行う場合を示す。
実施の形態１に係る超音波センサ１０２の製造方法では、超音波センサ１０２に対する応力緩和処理として、事前に、超音波センサ１０２に対して熱履歴を加える処理を行う場合を示した。これに対し、実施の形態２に係る超音波センサ１０２の製造方法では、超音波センサ１０２に対する応力緩和処理として、事前に、超音波センサ１０２を高電圧で駆動する処理を行う場合を示す。
【0070】
実施の形態２では、応力緩和処理として、超音波センサ１０２を、事前に、高電圧で駆動する。
この際、超音波センサ１０２に対して、例えば５０Ｖの正弦波を加える。なお、駆動周波数は例えば５００ｋＨｚとし、例えば３０分間駆動させる。
この際、超音波センサ１０２に対して、例えば５０Ｖの正弦波を加える。なお、駆動周波数は例えば５００ｋＨｚとし、例えば３０分間駆動させる。
【0071】
なお、高電圧が加えられる超音波センサ１０２は、超音波流量計１として組み込まれた状態でもよいし、センサ単体でもよい。すなわち、どのような状態であれ、超音波センサ１０２が使用される前に、超音波センサ１０２に高電圧が加えられればよい。
【0072】
また、超音波センサ１０２に加えられる高電圧は、超音波センサ１０２の駆動電圧から２０倍の電圧までの範囲内の電圧とする。すなわち、超音波センサ１０２の変位は電圧と線形の関係がある。そして、超音波センサ１０２に加える高電圧を２０倍以上にすると、剥離が大きくなりすぎて導通を十分に取れなくなる可能性がある。
【0073】
また、上記では、駆動波形が正弦波である場合を示した。しかしながら、駆動波形はこれに限らず、超音波センサ１０２を振動させる駆動波形であればよい。例えば、駆動波形は、矩形波、三角波、又は、パルス波でもよい。
【0074】
また、駆動周波数は、超音波センサ１０２の駆動周波数、或いは、１次共振周波数から２次反共振周波数の前後±５％の周波数とする。
【0075】
また、駆動時間は、１回の超音波の伝搬時間差の温度特性の計測（以下、０流量Δｔ温度特性計測と称す）において、超音波センサ１０２が振動する回数を用いて試算する。
例えば、毎秒計測する０流量Δｔ温度特性計測の試験時間が２４時間、毎秒の計測に３２０の振動を与える場合、超音波センサ１０２の振動回数は３２０×２４×３６００＝２７６４８０００回となる。そのため、これに相当する高電圧駆動回数を試算する場合、駆動周波数を５００ｋＨｚとすると、約１分必要となる。したがって、この場合には、駆動時間は１分以上を想定する。
例えば、毎秒計測する０流量Δｔ温度特性計測の試験時間が２４時間、毎秒の計測に３２０の振動を与える場合、超音波センサ１０２の振動回数は３２０×２４×３６００＝２７６４８０００回となる。そのため、これに相当する高電圧駆動回数を試算する場合、駆動周波数を５００ｋＨｚとすると、約１分必要となる。したがって、この場合には、駆動時間は１分以上を想定する。
【0076】
上記の条件で、超音波センサ１０２を高電圧で駆動することで、実フィールドで温度変化が激しく繰り返し熱履歴かかるような環境にあっても、超音波の伝搬時間差の温度特性に再現性を持つ超音波センサ１０２が得られる。
【0077】
次に、実施の形態２に係る超音波センサ１０２の効果について説明する。
ここで、超音波センサ１０２は、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３、並びに、音響整合層１０２２及び金属振動板１０２３が樹脂材料から成る接着剤１０２４により接着された構造を有している。すなわち、超音波センサ１０２は、熱膨張係数が異なる部材が貼り合わされた構造体である。
よって、この超音波センサ１０２では、上記貼り合わせ状態に起因する内部応力（残留応力）が発生する。
ここで、超音波センサ１０２は、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３、並びに、音響整合層１０２２及び金属振動板１０２３が樹脂材料から成る接着剤１０２４により接着された構造を有している。すなわち、超音波センサ１０２は、熱膨張係数が異なる部材が貼り合わされた構造体である。
よって、この超音波センサ１０２では、上記貼り合わせ状態に起因する内部応力（残留応力）が発生する。
【0078】
そのため、この超音波センサ１０２に熱履歴が加えられると、圧電素子１０２１、金属振動板１０２３及び音響整合層１０２２はそれぞれ膨張するが、熱膨張係数がそれぞれ異なっているため、超音波センサ１０２は撓むような形状で変形する。
その結果、上記内部応力と熱膨張により生じる応力とによって、圧電素子１０２１と金属振動板１０２３との間の接着部分、及び、音響整合層１０２２と金属振動板１０２３との間の接着部分において、変形と、それに伴う接着剤１０２４との部分的な剥離が発生する。
その結果、上記内部応力と熱膨張により生じる応力とによって、圧電素子１０２１と金属振動板１０２３との間の接着部分、及び、音響整合層１０２２と金属振動板１０２３との間の接着部分において、変形と、それに伴う接着剤１０２４との部分的な剥離が発生する。
【0079】
そして、内部応力の分布又は大きさによっては、この部分的な剥離が発生する前と後で、超音波センサ１０２の特性（機械的電気的特性）が変化してしまい、超音波の伝搬時間差の温度特性も変化する。更に、内部応力の分布又は大きさによっては、この部分的な剥離が発生する前と後で、超音波センサ１０２のインピーダンスも変化してしまう。
【0080】
これに対し、超音波センサ１０２に高電圧が加えられても、上記と同様の現象が発生する（図１３Ｂ）。
【0081】
そこで、実施の形態２に係る超音波センサ１０２では、応力緩和処理として、超音波センサ１０２を、予め高電圧で駆動する。すなわち、超音波センサ１０２を、本来使用する駆動電圧よりもはるかに大きな電圧（例えば、駆動電圧が３Ｖの場合には、１０Ｖ～５０Ｖ程度)で駆動させる。
【0082】
ここで、図１３に示すように、超音波センサ１０２に対して高電圧を繰り返しかけると、上記の接着部分での変形及び当該変形に伴う接着剤１０２４との部分的な剥離も繰り返し発生し、徐々に内部応力が緩和される。なお、この際、接着面の一部が剥離するが、導通はしたままの状態である。
そして、内部応力が緩和されるにつれて部分的な剥離がほとんど発生しなくなり、超音波センサ１０２が繰り返し高電圧をかけた範囲において安定して変形する状態になる。
また、接着不足の部分においても剥離が起こり、安定して変形する状態になる。
そして、内部応力が緩和されるにつれて部分的な剥離がほとんど発生しなくなり、超音波センサ１０２が繰り返し高電圧をかけた範囲において安定して変形する状態になる。
また、接着不足の部分においても剥離が起こり、安定して変形する状態になる。
【0083】
そして、上記の現象に対し、超音波の伝搬時間差の温度特性に着目すると、超音波センサ１０２に対して高電圧を繰り返しかけることで、超音波の伝搬時間差の温度特性が徐々に変化し、その特性が安定（再現性が向上）していく。
また、上記の現象に対し、超音波センサ１０２のインピーダンス特性に着目すると、超音波センサ１０２に対して高電圧を繰り返しかけることで、インピーダンス特性が徐々に変化し、その特性が安定（再現性が向上）していく。
また、上記の現象に対し、超音波センサ１０２のインピーダンス特性に着目すると、超音波センサ１０２に対して高電圧を繰り返しかけることで、インピーダンス特性が徐々に変化し、その特性が安定（再現性が向上）していく。
【0084】
そして、安定した状態の超音波センサ１０２では、熱履歴が加えられても、超音波の伝搬時間差の温度特性の変化は見られなくなる。
また、安定した状態の超音波センサ１０２では、熱履歴が加えられても、超音波センサ１０２のインピーダンス特性についても変化が見られなくなる。
また、安定した状態の超音波センサ１０２では、熱履歴が加えられても、超音波センサ１０２のインピーダンス特性についても変化が見られなくなる。
【0085】
このように、実施の形態２に係る超音波流量計１では、超音波センサ１０２に対して事前に応力緩和処理を行う。すなわち、超音波センサ１０２に対し、予め超音波流量計１の使用温度又は熱衝撃試験等の試験温度において、高電圧（超音波振動）を加えることで、その温度範囲における超音波の伝搬時間差の温度特性の繰り返し再現性を向上させる。この際、超音波センサ１０２に対し、超音波センサ１０２の駆動周波数近傍の周波数で高電圧（駆動電圧より大きい電圧）で振動させることで、超音波センサ１０２における超音波の伝搬時間差の温度特性が徐々に変化し、最終的にはその特性が安定する。
その後、実施の形態１に係る超音波流量計１は、超音波流量計１の使用温度において、流量が０の場合での超音波の伝搬時間差の温度特性をオフセットとして計測する。
そして、実施の形態１に係る超音波流量計１は、実際の流量計測の際に、計測した超音波の伝搬時間差に対して上記オフセットを用いて補正を行った上で、流量算出を行う。
これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、従来に対し、実フィールドで温度変化が激しく繰り返し熱履歴かかるような環境にあっても、オフセット補正に用いる超音波の伝搬時間差の温度特性が変化し難くなるため、誤差が小さく精度がよい超音波流量計１が得られる。
その後、実施の形態１に係る超音波流量計１は、超音波流量計１の使用温度において、流量が０の場合での超音波の伝搬時間差の温度特性をオフセットとして計測する。
そして、実施の形態１に係る超音波流量計１は、実際の流量計測の際に、計測した超音波の伝搬時間差に対して上記オフセットを用いて補正を行った上で、流量算出を行う。
これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、従来に対し、実フィールドで温度変化が激しく繰り返し熱履歴かかるような環境にあっても、オフセット補正に用いる超音波の伝搬時間差の温度特性が変化し難くなるため、誤差が小さく精度がよい超音波流量計１が得られる。
【0086】
以上のように、この実施の形態２に係る超音波センサ１０２の製造方法は、応力緩和処理において、超音波センサ１０２を、当該超音波センサ１０２の運用前に、高電圧で駆動させる。これにより、実施の形態２に係る超音波センサ１０２の製造方法は、従来に対し、計測時に熱履歴が加えられる場合であっても、計測精度の低下を抑制可能となる。
【0087】
実施の形態３．
実施の形態１，２に係る超音波センサ１０２の製造方法では、応力緩和処理として、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３並びに音響整合層１０２２及び当該金属振動板１０２３が接着剤１０２４により接着された超音波センサ１０２に対し、当該超音波センサ１０２の運用前に、当該接着部分での変形及び当該変形に伴う当該接着剤１０２４との部分的な剥離を発生させる場合を示した。
これに対し、実施の形態３に係る超音波センサ１０２の製造方法では、応力緩和処理として、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３並びに音響整合層１０２２及び当該金属振動板１０２３が接着剤１０２４により接着された超音波センサ１０２に対し、当該超音波センサ１０２の運用前に、当該接着部分での変形を発生させる場合を示す。すなわち、実施の形態３に係る超音波センサ１０２の製造方法では、応力緩和処理として、上記接着剤１０２４との部分的な剥離は発生させず、上記接着部分での変形のみを発生させる。
実施の形態１，２に係る超音波センサ１０２の製造方法では、応力緩和処理として、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３並びに音響整合層１０２２及び当該金属振動板１０２３が接着剤１０２４により接着された超音波センサ１０２に対し、当該超音波センサ１０２の運用前に、当該接着部分での変形及び当該変形に伴う当該接着剤１０２４との部分的な剥離を発生させる場合を示した。
これに対し、実施の形態３に係る超音波センサ１０２の製造方法では、応力緩和処理として、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３並びに音響整合層１０２２及び当該金属振動板１０２３が接着剤１０２４により接着された超音波センサ１０２に対し、当該超音波センサ１０２の運用前に、当該接着部分での変形を発生させる場合を示す。すなわち、実施の形態３に係る超音波センサ１０２の製造方法では、応力緩和処理として、上記接着剤１０２４との部分的な剥離は発生させず、上記接着部分での変形のみを発生させる。
【0088】
次に、実施の形態３に係る超音波センサ１０２の効果について説明する。
ここでは、応力緩和処理として、事前に、超音波センサ１０２に対して熱履歴を加える処理を行う場合を例に説明を行うが、事前に、超音波センサ１０２を高電圧で駆動する処理を行う場合についても同様である。
ここでは、応力緩和処理として、事前に、超音波センサ１０２に対して熱履歴を加える処理を行う場合を例に説明を行うが、事前に、超音波センサ１０２を高電圧で駆動する処理を行う場合についても同様である。
【0089】
ここで、超音波センサ１０２は、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３、並びに、音響整合層１０２２及び金属振動板１０２３が樹脂材料から成る接着剤１０２４により接着された構造を有している。すなわち、超音波センサ１０２は、熱膨張係数が異なる部材が貼り合わされた構造体である。
よって、図１４Ａで符号１４１に示すように、この超音波センサ１０２では、各部材の熱膨張差に起因する内部応力（残留応力）が発生する。
よって、図１４Ａで符号１４１に示すように、この超音波センサ１０２では、各部材の熱膨張差に起因する内部応力（残留応力）が発生する。
【0090】
ここで、例えば、各部材を貼り合わせる際の温度を９０℃とした場合、２５℃の際に圧電素子１０２１と金属振動板１０２３にかかる応力は、解析結果から、ミーゼス応力で１９０ＭＰａとなる。これは、熱による曲げ応力であり、超音波センサ１０２の構成部材の違いにより発生する。
図１４Ｂに示すように、圧電素子１０２１と金属振動板１０２３との間の貼り合わせ面を考えると、特に図１４Ａに示す中心部と圧電素子１０２１の端にかかる応力が大きくなる。なお、図１４Ｂにおいて、符号１４２は、応力を示している。
図１４Ｂに示すように、圧電素子１０２１と金属振動板１０２３との間の貼り合わせ面を考えると、特に図１４Ａに示す中心部と圧電素子１０２１の端にかかる応力が大きくなる。なお、図１４Ｂにおいて、符号１４２は、応力を示している。
【0091】
そして、このような超音波センサ１０２に対し、応力緩和処理として、超音波センサ１０２に対し、事前に、接着部分での変形を発生させる。
【0092】
例えば、超音波センサ１０２に対し、例えば－３０℃～６０℃の繰り返し熱履歴を加えると、圧電素子１０２１と金属振動板１０２３との間の接着部分（接着剤１０２４）に９０ＭＰａ～３５０ＭＰａの大きな応力が繰り返しかかることになる。すなわち、温度を－３０℃とした場合には被着部に３５０ＭＰａの応力がかかり、温度を６０℃とした場合には被着部に９０ＭＰａの応力がかかる。そして、熱による曲げ応力が繰り返し発生することによって、接着剤１０２４及びその周囲の被着部で微小な変形が発生する。それに伴い、図１４Ｃに示すように、接着部分の応力緩和が発生する。なお、図１４Ｃにおいて、符号１４３は、繰り返し熱履歴を示している。
【0093】
ここで、この微小な変形と応力緩和が発生する前と後では、超音波センサ１０２の特性（機械的電気的特性）が異なり、超音波の伝搬時間差の温度特性も変化する。更に、この微小な変形と応力緩和が発生する前と後では、超音波センサ１０２のインピーダンスも変化する。一方で、予め決められた範囲での温度変化を繰り返すと、上記変形により圧電素子１０２１と金属振動板１０２３との間の接着部分にかかる熱による曲げ応力は発生しにくくなる。そして、内部応力が緩和されるにつれて微小な変形がほとんど発生しなくなり、超音波センサ１０２が繰り返し熱履歴をかけた温度範囲において安定して変形する状態になる。
【0094】
そして、上記の現象に対し、超音波の伝搬時間差の温度特性に着目すると、超音波センサ１０２に対して熱履歴を繰り返しかけることで、超音波の伝搬時間差の温度特性が徐々に変化し、その特性が安定（再現性が向上）していく。
また、上記の現象に対し、超音波センサ１０２のインピーダンス特性に着目すると、超音波センサ１０２に対して熱履歴を繰り返しかけることで、インピーダンス特性が徐々に変化し、その特性が安定（再現性が向上）していく。
また、上記の現象に対し、超音波センサ１０２のインピーダンス特性に着目すると、超音波センサ１０２に対して熱履歴を繰り返しかけることで、インピーダンス特性が徐々に変化し、その特性が安定（再現性が向上）していく。
【0095】
そして、安定した状態の超音波センサ１０２では、熱履歴が加えられても、超音波の伝搬時間差の温度特性の変化は見られなくなる。
また、安定した状態の超音波センサ１０２では、熱履歴が加えられても、超音波センサ１０２のインピーダンス特性についても変化が見られなくなる。
また、安定した状態の超音波センサ１０２では、熱履歴が加えられても、超音波センサ１０２のインピーダンス特性についても変化が見られなくなる。
【0096】
以上のように、この実施の形態３によれば、超音波センサ１０２の製造方法は、圧電素子１０２１及び金属振動板１０２３並びに音響整合層１０２２及び当該金属振動板１０２３が接着剤１０２４により接着された超音波センサ１０２に対し、当該超音波センサ１０２の運用前に、当該接着部分での変形を発生させる応力緩和処理を有する。これにより、実施の形態３に係る超音波センサ１０２の製造方法は、従来に対し、計測時に熱履歴が加えられる場合であっても、計測精度の低下を抑制可能となる。
【0097】
なお、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【0098】
１ 超音波流量計
１０１ 計測管
１０２ 超音波センサ
１０２－１ 第１の超音波センサ
１０２－２ 第２の超音波センサ
１０３ 演算部
１０２１ 圧電素子
１０２２ 音響整合層
１０２３ 金属振動板
１０２４ 接着剤
１０３１ 記憶部
１０３２ 伝搬時間差計測部
１０３３ 温度計測部
１０３４ オフセット取得部
１０３５ オフセット補正部
１０３６ 流量算出部
１０１ 計測管
１０２ 超音波センサ
１０２－１ 第１の超音波センサ
１０２－２ 第２の超音波センサ
１０３ 演算部
１０２１ 圧電素子
１０２２ 音響整合層
１０２３ 金属振動板
１０２４ 接着剤
１０３１ 記憶部
１０３２ 伝搬時間差計測部
１０３３ 温度計測部
１０３４ オフセット取得部
１０３５ オフセット補正部
１０３６ 流量算出部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】