超音波振動子の取り付け構造とそれを使用した超音波流量計測装置
【課題】超音波計測装置としての信頼性を備え、超音波振動子を被計測流路に組み付ける工程が単純化され、作業ミスが低減されることを目的とする。
【解決手段】有底筒状のケース１と音響整合層５と圧電体６とを備えた超音波振動子１４と、電気的絶縁性の材料で形成した絶縁体１５と、気密シール性のシール材１８と、被取り付け部１６とを含み、超音波振動子１４を絶縁体１５を介して被取り付け部１６に取り付ける取り付け構造において、超音波振動子１４と絶縁体１５との間および絶縁体１５と被取り付け部１６との間に、シール材１８を介装することにより、超音波振動子と被計測流路の振動伝搬を低減でき、かつ絶縁性、シール性を確保でき、超音波振動子を被計測流路に組み付ける工程は、被計測流路に絶縁体とシール材を先に組み込むことにより簡単に超音波振動子を取り付けることができる。
【解決手段】有底筒状のケース１と音響整合層５と圧電体６とを備えた超音波振動子１４と、電気的絶縁性の材料で形成した絶縁体１５と、気密シール性のシール材１８と、被取り付け部１６とを含み、超音波振動子１４を絶縁体１５を介して被取り付け部１６に取り付ける取り付け構造において、超音波振動子１４と絶縁体１５との間および絶縁体１５と被取り付け部１６との間に、シール材１８を介装することにより、超音波振動子と被計測流路の振動伝搬を低減でき、かつ絶縁性、シール性を確保でき、超音波振動子を被計測流路に組み付ける工程は、被計測流路に絶縁体とシール材を先に組み込むことにより簡単に超音波振動子を取り付けることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計測装置における超音波振動子の取り付け構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の超音波流量計測装置に用いる超音波振動子の取り付け構造は、超音波振動子を制振体と振動伝達抑止体を介して超音波流量計測装置の被計測流路に取り付けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載された従来の取り付け構造を示すものである。図に示すように、超音波振動子３０の側壁部３１の外周面には側壁部の振動を低減する制振体３２を巻装し、超音波振動子３０の支持部３３を保持する保持部３４を有する振動伝達抑止体３５を介して超音波流量計測装置の被計測流路３８に取り付け、固定体３７で固定している。これによって、圧電体３６の振動が取り付け側に伝搬することを低減して残響の短い超音波パルスの送受信ができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３４４４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、超音波振動子３０を被計測流路３８へ組み込む際に制振体３２と振動伝達抑止体３５を事前に超音波振動子に取り付ける必要があり、且つ制振体３２と振動伝達抑止体３５は構成上複雑な形状となるため作業性が悪く、組立て信頼性も低下してしまう。また、固定体３７は保持部３４を覆うように構成されているため被計測流路３８に制振体３２と振動伝達抑止体３５を取り付けた超音波振動子３０を装着後に固定体３７をビス等により被計測流路３８に固定していた。そのため、被計測流路３８に超音波振動子３０を取り付ける工程だけで相当な時間と工程が必要となる課題を有していた。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するもので、超音波流量計測装置としての信頼性を維持しつつ、超音波振動子を被計測流路に組み付ける工程が単純化され、作業ミスが低減されることによる作業信頼性の高い超音波振動子の取り付け構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波振動子の取り付け構造は、有底筒状のケースと音響整合層と圧電体とを備えた超音波振動子と、電気的絶縁性の材料で形成した絶縁体と、気密シール性のシール材と、被取り付け部とを含み、超音波振動子を絶縁体を介して被取り付け部に取り付ける取り付け構造において、超音波振動子と絶縁体との間および絶縁体と被取り付け部との間に、シール材を介装したものである。
【０００８】
これによって、超音波振動子と被計測流路の振動伝搬を低減でき、かつ絶縁性、シール性を確保でき、超音波振動子を被計測流路に組み付ける工程は、被計測流路に絶縁体とシール材を先に組み込むことにより簡単に超音波振動子を取り付けることができる。
【０００９】
また、本発明の超音波振動子の取り付け構造は、超音波振動子の一部を絶縁体の係止手
段にて固定する取り付け構造としたものである。
【００１０】
これによって、超音波振動子を被計測流路に取り付ける工程は、被計測流路に絶縁体とシール材を組み込んだあと超音波振動子を係止手段のリブ部に嵌め込むだけで装着できる。
【発明の効果】
【００１１】
超音波流量計測装置としての信頼性を維持しつつ、超音波振動子を被計測流路に組み付ける工程が単純化され、作業ミスが低減されることによって作業信頼性が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波振動子の取り付け構造を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態２における超音波振動子の取り付け構造を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態３の超音波振動子の取り付け構造を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態４の超音波流量計測装置の構成図
【図５】従来の超音波振動子の取り付け構造を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明は、有底筒状のケースと音響整合層と圧電体とを備えた超音波振動子と、電気的絶縁性の材料で形成した絶縁体と、気密シール性のシール材と、被取り付け部とを含み、前記超音波振動子を前記絶縁体を介して前記被取り付け部に取り付ける取り付け構造において、前記超音波振動子と前記絶縁体との間および前記絶縁体と前記被取り付け部との間に、前記シール材を介装したことを特徴とする、超音波振動子の取り付け構造。
【００１４】
これにより、圧電体の振動が被計測流路へ伝搬するのを低減し残響の短い超音波パルスの送受信を行い計測精度を確保することができる。
【００１５】
またケースを絶縁体で遮蔽してコンパクトな取り付け構造で被取り付け部と超音波振動子との導電距離を大きくすることで、落雷などにより被取り付け部と超音波振動子間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧を高め、リーク電流による超音波振動子の破損を防いで信頼性を確保することができる。
【００１６】
また超音波振動子が取り付けられる被取り付け部と絶縁体との間およびケースと絶縁体との間にシール材を設けることにより被計測流体側とシール材を介して対側との気密シール性を確保することができる。
【００１７】
また被取り付け部へ事前にシール材と絶縁体を取り付けることができ、超音波振動子の取り付け性が向上できるとともにシンプルな構成と工程の単純かにより作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができる。
【００１８】
第２の発明は、特に、第１の発明において、絶縁体は係止手段を備え、前記係止手段で前記超音波振動子を前記絶縁体に係止するものである。
【００１９】
それにより、被取り付け部に事前にシール材と絶縁体を取り付けて、その後、超音波振動子を係止手段で係止するだけで絶縁体に取り付けることが可能となり、さらに超音波振動子の取り付けに必要な部品点数が削減され、取り付け工程を単純化することができる。
【００２０】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記絶縁体と、前記超音波振動子との間に振動伝搬防止帯を備えものである。
【００２１】
これにより、圧電体の振動がケースに伝搬した場合であっても、振動伝搬防止帯により絶縁体への振動伝搬が大幅に低減でき、絶縁体から被取り付け部への振動伝搬が低減され、残響によるノイズの発生の低減や残響の短い超音波パルスの送受信が可能で、Ｓ／Ｎが改善されて被計測流体の流量、流速の計測精度、計測範囲の拡大など計測特性が向上できる。
【００２２】
第４の発明は、 少なくとも一対の前記超音波振動子と、被計測流体が流れる計測流路と、前記計測流路に対向して配置された複数の前記被取り付け部と、前記超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測制御部と、前記計測制御部からの信号に基づいて流量を算出する演算部とを含み、前記超音波振動子は、第１〜第３のいずれか１つの発明の超音波振動子の取り付け構造により前記計測流路の被取り付け部に取り付けたものである。
【００２３】
これにより、計測精度を高め計測範囲を拡大し長期間にわたり計測特性を維持できる流量計測装置を提供することができる。
【００２４】
しかも、超音波計測装置として必要信頼性を堅持しながらも、シンプルな構成と工程の単純化が可能となり、作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態における超音波振動子の取り付け構造について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超音波振動子の取り付け構造の断面図を示すものである。
【００２７】
図１に示すように、ケース１は底部２と、側壁部３、開口部４を有する有底筒状である。底部２の外壁面には音響整合層５固定されており、底部２の内壁面には音響整合層５の反対側に圧電体６が固定されている。ケース１の開口部４の外周に環状に広がるフランジ８と開口部４を塞ぐ封止体９とを重ねて厚みを増加させて剛性を持たせた固定部７が形成されている。封止体９には端子１０ａ、１０ｂが設けられており、端子１０ａと端子１０ｂは絶縁部１１を介して絶縁されている。圧電体６と端子１０ａとはリード線１２で電気的に接続されている。圧電体６には溝１３が設けられている。
【００２８】
このように超音波振動子１４は有底筒状のケース１の内部に圧電体６を設けて封止体９で封止するとともにケース１の外部に音響整合層５と固定部７を備えている。
【００２９】
また、ケース１を囲うように電気的絶縁材料で成型された絶縁体１５が巻装されており、ケース１と絶縁体１５や計測流路の強度、耐食性、耐久性を確保するためアルミ合金ダイキャストなどの金属材料で成型された被取り付け部１６と絶縁体１５の間は組立て性を考慮し適度なクリアランス１７が設けられている。
【００３０】
固定部７と絶縁体１５の間や被取り付け部１６と絶縁体１５の間には気密シール性の材質で成型されたシール材１８が密着するように設けられている。シール材１８は例えばゴム製Ｏリングやシリコン製樹脂などを使用する。絶縁体１５と固定部７は固定体１９とビス（図示せず）を介して被取り付け部１６に固定されている。
【００３１】
以上のように構成された超音波振動子１４の作製方法の一例について以下に説明する。超音波振動子１４はＬＰガスや天然ガス中で使用することを想定して、有底筒状のケース１にはステンレス、音響整合層５にはエポキシ樹脂と中空ガラス球の混合体からなる材料を選択する。ケース１の加工方法には量産性を考え、切削加工ではなく絞り加工のような
成形加工を選択する。また、ケース１のステンレスの厚みは、超音波振動子１４の感度、構造的強度、成形加工性の観点から０．１から０．５ｍｍ程度を選択する。
【００３２】
このように薄い材料でケース１を成形するため固定部７はケース１の絞り加工により形成されるフランジ８の板厚Ｔ１に対して封止体９の板厚Ｔ２を大きくし（Ｔ１＜Ｔ２）、封止体９を溶接などで接合して構造的強度を高めている。
【００３３】
また、圧電体６はステンレスからなる底部２に接着固定されるため、広がり方向の振動が阻害される。超音波振動子１４の高感度化を図るには広がり振動よりも厚み縦振動を主モードに利用する方が有利である。しかし、圧電体６は形状により振動の主モードが決定されてしまい、圧電体６の形状と使用周波数に対する許容範囲が狭い。そこで、圧電体６に溝１３を設けた構造として、実用可能な小型の寸法で厚み振動を主モードとすることが可能となる。
【００３４】
このような材料、形状として具体的な作製手順として、まず厚み０．２ｍｍのステンレス鋼板から円形状の底部２を有する有底筒状のケース１を成形加工する。次に、底部２の外壁面に円板状の音響整合層５、内壁面には圧電体６をエポキシ系接着剤にて接着固定する。このとき溝１３により分割された電極（図示せず）と底部２を１０μｍ以下の薄い接着層を介して接着固定することにより、分割された電極（図示せず）と底部２の電気的導通も取ることができる。
【００３５】
リード線１２は圧電体６の電極（図示せず）と端子１０ａにそれぞれ半田付けをする。最後に、１ｍｍ程度のステンレス板からなる封止体９を開口部４の外周側に設けたフランジ８に電気抵抗溶接などにより固定し、封止と電気的導通を同時に行う。
【００３６】
圧電体６はケース１をグランドとして共用し、さらにケース１および封止体９で覆われるためノイズの影響を低減できる。また、封止するときケース１の内部に乾燥した窒素や不活性ガスを置換封入すると、圧電体６の電極、圧電体６とケース１の接着層などの長期間使用による劣化防止が可能である。
【００３７】
以上のように構成された超音波振動子の取り付け構造について、以下その動作、作用を説明する。
【００３８】
まず、有底筒状のケース１を囲うように電気的絶縁材料で成型された絶縁体１５について、もし仮に本実施の形態で示した絶縁体１５が無く超音波振動子１４は被取り付け部１６と電気絶縁距離の小さい状態で配置された場合について説明する。この場合、落雷などにより被取り付け部１６と超音波振動子１４の間に異常な高電圧が発生すると、被取り付け部１６と超音波振動子１４の間に大きな電流が流れて超音波振動子１４の圧電体６などに損傷が生じることになる。
【００３９】
この損傷を防止するには異常な高電圧に対してリークに至る耐電圧を高めるため電気絶縁距離を大きくすることが必要になる。しかし、ケース１と取り付け壁２５との距離を大きくするには、取り付け穴を大きくすると共にフランジ８などで形成した固定部７の外形を大きくせねばならず、小型化に逆行する。
【００４０】
しかし、本実施の形態のように電気絶縁材料で成型した絶縁体１５を設置すると、小型のままで超音波振動子１４と被取り付け部１６とが電気的絶縁物によって遮蔽され絶縁距離が大きくなり、落雷などにより被取り付け部側と超音波振動子間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧を高めることができ、リーク電流による超音波振動子の破損を防いで信頼性を向上できる。
【００４１】
また、被取り付け部１６への絶縁体１５の取り付け時や、絶縁体１５への超音波振動子１４の取り付け時にスムーズに挿入できるよう適度なクリアランス１７を設けているため、被計測流体であるガスや液体が被取り付け部１６から漏れ出す恐れがある。そのために、シール材１８によって絶縁体１５と被取り付け部１６との気密シール性を確保することができる。
【００４２】
次に本実施の形態における最大の効果をもたらす、被取り付け部１６への超音波振動子１４の取り付け方法について説明する。被取り付け部１６にまず絶縁体１５の下側に配置されているシール材１８を取り付ける。なお、シール材１８は例えばＯリングを使用する場合、被取り付け部１６の壁面に窪みを設けていればＯリングの装着が容易にでき、取り付け場所も規定される。次に絶縁体１５を被取り付け部１６に挿入し、絶縁体１５の上側に配置されているシール材１８を取り付ける。なお、シール材１８は例えばＯリングを使用する場合、被取り付け部１６の壁面に窪みを設けていればＯリングの装着が容易にでき、取り付け場所も規定される。
【００４３】
次に超音波振動子１４を絶縁体１５とシール材１８を装着した被取り付け部１６に挿入する。最後に固定体１９にて固定部７と絶縁体１５の上部を押さえるように取り付けることにより、シール材１８の密着性が増し、超音波振動子を固定することができる。
【００４４】
以上のように、部品ひとつひとつを被取り付け部１６に装着していくことにより前工程での準備作業が不要となるほか、装着状態を目視確認しながら確実に作業を進めることができる。特にシール材１８については、少しでもずれて装着したり、折れ曲がって装着したりすると被取り付け部１６からのガス漏れや水もれに繋がることになるので、本実施の形態のようにシール材１８を線接触で密着させることによって、特にＯリングを使用することによって構造上も作業性上も信頼性を向上することができる。
【００４５】
このように超音波計測装置として必要な信頼性を堅持しながらも、計測流路の被取り付け部１６へ事前にシール材１８と絶縁体１５を取り付けることができ、超音波振動子１４の取り付け性が向上できる。また、それぞれの部品の形状の簡易化と、シンプルな構成と工程の単純化をすることで作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができ、漏洩がなく安全で計測精度が高く計測範囲の大きい流量計測装置が実現できる。
【００４６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における超音波振動子の取り付け構造の断面図を示すものである。
【００４７】
本実施の形態において実施の形態と同一部材および同一機能を有するものは同一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。
【００４８】
絶縁体１５の端部には内リブ２０が設けられており、内リブ２０は超音波振動子１４の固定部７を環状に囲っている絶縁体１５の内向き側に環状の対称位置に少なくとも２箇所設けられ、ある程度の可動性を備え固定部７を押えるような形状の係止手段である。なお、内リブ２０は環状の位置に多数個設けてもよい。
【００４９】
また、絶縁体１５の外周部には外リブが設けられており、外リブ２１は固定部７を環状に囲っている絶縁体１５の外向き側に環状の対称位置に少なくとも２箇所設けられ、形状は絶縁体１５を被取り付け部１６に挿入し易いよう図２の垂直下方向にはなだらかに成型され、垂直上方向は絶縁体１５を被取り付け部１６に取り付けた後容易に抜けないよう返し構造を備えたものである。なお、外リブ２１はある程度の可動性を備えてもよい。
【００５０】
一方、被取り付け部１６の外リブ２１に対応する位置には、嵌め込み穴２２が設けられており、嵌め込み穴２２は外リブ２１と同じような形状であり、絶縁体１５が挿入された状態で外リブ２１が入り込むような位置に設けられている。なお、外リブ２１と嵌め込み穴２２は環状の位置に多数個設けてもよく、形状は半円状や半円球状としてもよい。
【００５１】
以上のように構成された本実施の形態における超音波振動子の取り付け構造について、以下その動作、作用を説明する。
【００５２】
まず、被取り付け部１６に絶縁体１５の下側に配置されているシール材１８を取り付ける。なお、シール材１８は例えばＯリングを使用する場合、被取り付け部１６の壁面に窪みを設けていればＯリングの装着が容易にでき、取り付け場所も規定される。
【００５３】
次に絶縁体１５を被取り付け部１６に挿入し、絶縁体１５の上側に配置されているシール材１８を取り付ける。なお、シール材１８は例えばＯリングを使用する場合、被取り付け部１６の壁面に窪みを設けていればＯリングの装着が容易にでき、取り付け場所も規定される。
【００５４】
次に超音波振動子１４を絶縁体１５とシール材１８を装着した被取り付け部１６に挿入する。挿入途中に固定部７が内リブ２０を外側に広げるように作用し、固定部７がシール材１８まで到達すると固定部７に広げられていた内リブ２０が元に戻り、固定部７を押さえ込むような係止手段となる。このような係止手段とすることで固定部７を押える固定体が不要であり、部品削減が可能となる。また固定部７を抑える固定体を被取り付け部１６に装着していたビス締め等が不要となり、取り付け工程も簡素化できる。
【００５５】
このように超音波計測装置として必要信頼性を堅持しながらも、より一層、部品の形状の簡易化、シンプルな構成と工程の単純をすることで作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができ、漏洩がなく安全で計測精度が高く計測範囲の大きい流量計測装置が実現できる。
【００５６】
また、被取り付け部１６と絶縁体１５の取り付けを、嵌め込み穴２２に外リブ２１を嵌め込むような係止手段とすることにより、特に、シンプルな構成と工程の単純化をすることで作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができ、漏洩がなく安全で計測精度が高く計測範囲の大きい流量計測装置が実現できる。
【００５７】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における超音波振動子の取り付け構造の断面図を示すものである。
【００５８】
本実施の形態において実施の形態１と同一部材および同一機能を有するものは同一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。
【００５９】
超音波振動子１４の有底筒状のケース１の側壁側と絶縁体１５との間には振動伝搬防止帯２３が設けられており、ケース１の側壁３と絶縁体１５が接触しないよう、１ｍｍ〜２ｍｍ程度の隙間を設けている。
【００６０】
以上のように構成される超音波振動子の取り付け構造について、以下その動作、作用を説明する。
【００６１】
超音波計測装置は、送信側の超音波振動子１４と受信側の超音波振動子１４がお互いに
超音波の送信、受信を行うことにより動作している。送受信の超音波振動子１４の駆動時には、超音波振動子１４に駆動電気入力を印可されて圧電体６が振動し、この振動が音響整合層５を介して被計測流体に超音波パルスとして放射されるだけでなく、ケース１を振動させようとする。また、受信側では受信した超音波パルスは圧電体６で電気信号に変換されると同時にケース１も振動させようとする。
【００６２】
ケース１が振動すると、ケース１の振動が被取り付け部１６を介して受信側の超音波振動子１４に伝わり、受信側では被取り付け部１６を介した振動と受信した超音波パルスと合成されるため振幅、位相に影響して計測に誤差を与える要因となる。
【００６３】
このような超音波振動子１４自身の振動をできるだけ被取り付け部１６に伝搬しないようにするため、ケース１の側壁３側と絶縁体１５との間に振動伝搬防止帯２３を設けて物理的接触を避けて振動伝搬を防止している。なお、固定部７が封止体９との固着により剛性が高くなり、固定部７の振動が抑えられているため、固定部７と絶縁体１５の一部が接触していても計測に影響がある振動伝搬には至らない。
【００６４】
以上のようにすることで、残響の短い超音波パルスの送受信が可能で、取り付け側への振動伝搬の低減が可能な超音波振動子を得ることができ、残響によるノイズの発生の低減と被取り付け部側への振動伝搬の低減ができ、Ｓ／Ｎが改善されて被測定流体の流量、流速の計測精度、計測範囲の拡大など計測特性が向上できる。
【００６５】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４を示す超音波流量計測装置の構成図を示すものである。
【００６６】
本実施の形態において実施の形態１〜３と同一部材及び同一機能を有するものは同一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。
【００６７】
超音波流量計測装置における被計測流体が流れる流路にあって、被計測流体の流速の測定位置である計測流路２４は流路壁２５に囲まれた幅Ｗの流路である。２個の超音波振動子２６、２７は互いに対向するように流路壁２５の被取り付け部１６に実施の形態２に記載した取り付け構造により取り付けられており、上流側の超音波振動子２６と下流側の超音波振動子２７は距離Ｌを隔てるとともに速度Ｖの被計測流体の流れに対して角度θ傾けて設置されている。超音波振動子２６、２７に対して超音波の送受信をさせる計測制御部２８が接続されており、計測制御部２８は超音波振動子２６、２７の信号を基に流速を計算し流量を算出する演算部２９を備えている。
【００６８】
以上のように構成された超音波流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００６９】
計測流路２４を被計測流体が流れている時に、計測制御部２８の作用により超音波振動子２６、２７間で計測流路２４を横切るようにして超音波の送受信が行われる。すなわち、上流側の超音波振動子２６から発せられた超音波が下流側の超音波振動子２７で受信されるまでの経過時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波振動子２７から発せられた超音波が上流側の超音波振動子２６で受信されるまでの経過時間Ｔ２を計測する。このようにして測定された経過時間Ｔ１およびＴ２を基に、以下の演算式により演算部２９で流量が算出される。
【００７０】
いま、被計測流体の流れと超音波伝播路とのなす角度をθとし、流量測定部である超音波振動子２６、２７間の距離をＬ、被測定流体の音速をＣとすると、流速Ｖは以下の式にて算出される。
【００７１】
Ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
Ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
Ｔ１の逆数からＴ２の逆数を引き算する式より音速Ｃを消去して
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）｛（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）｝
θおよびＬは既知なのでＴ１およびＴ２の値より流速Ｖが算出できる。
【００７２】
いま、空気の流量を計ることを考え、角度θ＝２７度、距離Ｌ＝７０ｍｍ、音速Ｃ＝３４０ｍ／秒、流速Ｖ＝８ｍ／秒を想定すると、Ｔ１＝２．０／１００００秒、Ｔ２＝２．１／１００００秒であり、瞬時計測ができる。
【００７３】
ここで、計測流路２４の流れ方向に直交する横断面積ｓより、流量ＱはＱ＝ｋＶｓここで、ｋは横断面積ｓにおける流速分布を考慮した換算係数である。このようにして演算部２９で流量を求めることができる。
【００７４】
超音波による流量計測では、時間Ｔ１、Ｔ２を高精度に計測することが重要である。すなわち、送信側では残響の少ない超音波振動を被計測流体中のみに発することが大切であり、受信側では流体通路壁を伝搬した超音波振動は排除し被計測流体中を伝搬した超音波振動のみを残響を少なく受信することが大切である。
【００７５】
本実施の形態の超音波流量計測装置では、超音波振動子１４を絶縁体１５で囲うことでコンパクトなスペースのままで流路壁２５から電気的な絶縁距離を大きく確保でき、耐電圧性を高めて雷サージ性が向上でき、信頼性の高い計測装置が実現できる。絶縁体１５とシール材１８とにより、計測精度、計測範囲、雷サージ性に優れ信頼性、実用性に優れた計測装置が実現できる。
【００７６】
このように超音波計測装置として必要な信頼性を堅持しながらも、被取り付け部１６へ事前にシール材１８と絶縁体１５を取り付けることができ、超音波振動子１４の取り付け性が向上できる。
【００７７】
また、絶縁体１５の一部に内リブ２０と外リブ２１の係止手段を備えることにより、より一層それぞれの部品の形状の簡易化、シンプルな構成と工程の単純をすることができ、作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができる。
【００７８】
なお、本実施の形態おいては、実施の形態２に記載して取り付け構造により超音波振動子を被取り付け部に取り付けたが、これに限るものではなく、実施の形態１または３に記載の取り付け構造を採用した場合も同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上のように、本発明にかかる超音波振動子の取り付け構造は、超音波計測装置としての信頼性を備え、超音波振動子を被計測流路に組み付ける工程が単純化され、作業ミスを低減することが可能となるので、ガスメーターや水道メーターなどの高信頼性が要求される流体計測装置等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００８０】
１ ケース
５ 音響整合層
６ 圧電体
１４、２６、２７ 超音波振動子
１５ 絶縁体
１６ 被取り付け部
１８ シール材
２０ 内リブ（係止手段）
２３ 振動伝搬防止帯
２４ 計測流路
２８ 計測制御部
２９ 演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計測装置における超音波振動子の取り付け構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の超音波流量計測装置に用いる超音波振動子の取り付け構造は、超音波振動子を制振体と振動伝達抑止体を介して超音波流量計測装置の被計測流路に取り付けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載された従来の取り付け構造を示すものである。図に示すように、超音波振動子３０の側壁部３１の外周面には側壁部の振動を低減する制振体３２を巻装し、超音波振動子３０の支持部３３を保持する保持部３４を有する振動伝達抑止体３５を介して超音波流量計測装置の被計測流路３８に取り付け、固定体３７で固定している。これによって、圧電体３６の振動が取り付け側に伝搬することを低減して残響の短い超音波パルスの送受信ができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３４４４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、超音波振動子３０を被計測流路３８へ組み込む際に制振体３２と振動伝達抑止体３５を事前に超音波振動子に取り付ける必要があり、且つ制振体３２と振動伝達抑止体３５は構成上複雑な形状となるため作業性が悪く、組立て信頼性も低下してしまう。また、固定体３７は保持部３４を覆うように構成されているため被計測流路３８に制振体３２と振動伝達抑止体３５を取り付けた超音波振動子３０を装着後に固定体３７をビス等により被計測流路３８に固定していた。そのため、被計測流路３８に超音波振動子３０を取り付ける工程だけで相当な時間と工程が必要となる課題を有していた。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するもので、超音波流量計測装置としての信頼性を維持しつつ、超音波振動子を被計測流路に組み付ける工程が単純化され、作業ミスが低減されることによる作業信頼性の高い超音波振動子の取り付け構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波振動子の取り付け構造は、有底筒状のケースと音響整合層と圧電体とを備えた超音波振動子と、電気的絶縁性の材料で形成した絶縁体と、気密シール性のシール材と、被取り付け部とを含み、超音波振動子を絶縁体を介して被取り付け部に取り付ける取り付け構造において、超音波振動子と絶縁体との間および絶縁体と被取り付け部との間に、シール材を介装したものである。
【０００８】
これによって、超音波振動子と被計測流路の振動伝搬を低減でき、かつ絶縁性、シール性を確保でき、超音波振動子を被計測流路に組み付ける工程は、被計測流路に絶縁体とシール材を先に組み込むことにより簡単に超音波振動子を取り付けることができる。
【０００９】
また、本発明の超音波振動子の取り付け構造は、超音波振動子の一部を絶縁体の係止手
段にて固定する取り付け構造としたものである。
【００１０】
これによって、超音波振動子を被計測流路に取り付ける工程は、被計測流路に絶縁体とシール材を組み込んだあと超音波振動子を係止手段のリブ部に嵌め込むだけで装着できる。
【発明の効果】
【００１１】
超音波流量計測装置としての信頼性を維持しつつ、超音波振動子を被計測流路に組み付ける工程が単純化され、作業ミスが低減されることによって作業信頼性が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波振動子の取り付け構造を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態２における超音波振動子の取り付け構造を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態３の超音波振動子の取り付け構造を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態４の超音波流量計測装置の構成図
【図５】従来の超音波振動子の取り付け構造を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明は、有底筒状のケースと音響整合層と圧電体とを備えた超音波振動子と、電気的絶縁性の材料で形成した絶縁体と、気密シール性のシール材と、被取り付け部とを含み、前記超音波振動子を前記絶縁体を介して前記被取り付け部に取り付ける取り付け構造において、前記超音波振動子と前記絶縁体との間および前記絶縁体と前記被取り付け部との間に、前記シール材を介装したことを特徴とする、超音波振動子の取り付け構造。
【００１４】
これにより、圧電体の振動が被計測流路へ伝搬するのを低減し残響の短い超音波パルスの送受信を行い計測精度を確保することができる。
【００１５】
またケースを絶縁体で遮蔽してコンパクトな取り付け構造で被取り付け部と超音波振動子との導電距離を大きくすることで、落雷などにより被取り付け部と超音波振動子間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧を高め、リーク電流による超音波振動子の破損を防いで信頼性を確保することができる。
【００１６】
また超音波振動子が取り付けられる被取り付け部と絶縁体との間およびケースと絶縁体との間にシール材を設けることにより被計測流体側とシール材を介して対側との気密シール性を確保することができる。
【００１７】
また被取り付け部へ事前にシール材と絶縁体を取り付けることができ、超音波振動子の取り付け性が向上できるとともにシンプルな構成と工程の単純かにより作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができる。
【００１８】
第２の発明は、特に、第１の発明において、絶縁体は係止手段を備え、前記係止手段で前記超音波振動子を前記絶縁体に係止するものである。
【００１９】
それにより、被取り付け部に事前にシール材と絶縁体を取り付けて、その後、超音波振動子を係止手段で係止するだけで絶縁体に取り付けることが可能となり、さらに超音波振動子の取り付けに必要な部品点数が削減され、取り付け工程を単純化することができる。
【００２０】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記絶縁体と、前記超音波振動子との間に振動伝搬防止帯を備えものである。
【００２１】
これにより、圧電体の振動がケースに伝搬した場合であっても、振動伝搬防止帯により絶縁体への振動伝搬が大幅に低減でき、絶縁体から被取り付け部への振動伝搬が低減され、残響によるノイズの発生の低減や残響の短い超音波パルスの送受信が可能で、Ｓ／Ｎが改善されて被計測流体の流量、流速の計測精度、計測範囲の拡大など計測特性が向上できる。
【００２２】
第４の発明は、 少なくとも一対の前記超音波振動子と、被計測流体が流れる計測流路と、前記計測流路に対向して配置された複数の前記被取り付け部と、前記超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測制御部と、前記計測制御部からの信号に基づいて流量を算出する演算部とを含み、前記超音波振動子は、第１〜第３のいずれか１つの発明の超音波振動子の取り付け構造により前記計測流路の被取り付け部に取り付けたものである。
【００２３】
これにより、計測精度を高め計測範囲を拡大し長期間にわたり計測特性を維持できる流量計測装置を提供することができる。
【００２４】
しかも、超音波計測装置として必要信頼性を堅持しながらも、シンプルな構成と工程の単純化が可能となり、作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態における超音波振動子の取り付け構造について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超音波振動子の取り付け構造の断面図を示すものである。
【００２７】
図１に示すように、ケース１は底部２と、側壁部３、開口部４を有する有底筒状である。底部２の外壁面には音響整合層５固定されており、底部２の内壁面には音響整合層５の反対側に圧電体６が固定されている。ケース１の開口部４の外周に環状に広がるフランジ８と開口部４を塞ぐ封止体９とを重ねて厚みを増加させて剛性を持たせた固定部７が形成されている。封止体９には端子１０ａ、１０ｂが設けられており、端子１０ａと端子１０ｂは絶縁部１１を介して絶縁されている。圧電体６と端子１０ａとはリード線１２で電気的に接続されている。圧電体６には溝１３が設けられている。
【００２８】
このように超音波振動子１４は有底筒状のケース１の内部に圧電体６を設けて封止体９で封止するとともにケース１の外部に音響整合層５と固定部７を備えている。
【００２９】
また、ケース１を囲うように電気的絶縁材料で成型された絶縁体１５が巻装されており、ケース１と絶縁体１５や計測流路の強度、耐食性、耐久性を確保するためアルミ合金ダイキャストなどの金属材料で成型された被取り付け部１６と絶縁体１５の間は組立て性を考慮し適度なクリアランス１７が設けられている。
【００３０】
固定部７と絶縁体１５の間や被取り付け部１６と絶縁体１５の間には気密シール性の材質で成型されたシール材１８が密着するように設けられている。シール材１８は例えばゴム製Ｏリングやシリコン製樹脂などを使用する。絶縁体１５と固定部７は固定体１９とビス（図示せず）を介して被取り付け部１６に固定されている。
【００３１】
以上のように構成された超音波振動子１４の作製方法の一例について以下に説明する。超音波振動子１４はＬＰガスや天然ガス中で使用することを想定して、有底筒状のケース１にはステンレス、音響整合層５にはエポキシ樹脂と中空ガラス球の混合体からなる材料を選択する。ケース１の加工方法には量産性を考え、切削加工ではなく絞り加工のような
成形加工を選択する。また、ケース１のステンレスの厚みは、超音波振動子１４の感度、構造的強度、成形加工性の観点から０．１から０．５ｍｍ程度を選択する。
【００３２】
このように薄い材料でケース１を成形するため固定部７はケース１の絞り加工により形成されるフランジ８の板厚Ｔ１に対して封止体９の板厚Ｔ２を大きくし（Ｔ１＜Ｔ２）、封止体９を溶接などで接合して構造的強度を高めている。
【００３３】
また、圧電体６はステンレスからなる底部２に接着固定されるため、広がり方向の振動が阻害される。超音波振動子１４の高感度化を図るには広がり振動よりも厚み縦振動を主モードに利用する方が有利である。しかし、圧電体６は形状により振動の主モードが決定されてしまい、圧電体６の形状と使用周波数に対する許容範囲が狭い。そこで、圧電体６に溝１３を設けた構造として、実用可能な小型の寸法で厚み振動を主モードとすることが可能となる。
【００３４】
このような材料、形状として具体的な作製手順として、まず厚み０．２ｍｍのステンレス鋼板から円形状の底部２を有する有底筒状のケース１を成形加工する。次に、底部２の外壁面に円板状の音響整合層５、内壁面には圧電体６をエポキシ系接着剤にて接着固定する。このとき溝１３により分割された電極（図示せず）と底部２を１０μｍ以下の薄い接着層を介して接着固定することにより、分割された電極（図示せず）と底部２の電気的導通も取ることができる。
【００３５】
リード線１２は圧電体６の電極（図示せず）と端子１０ａにそれぞれ半田付けをする。最後に、１ｍｍ程度のステンレス板からなる封止体９を開口部４の外周側に設けたフランジ８に電気抵抗溶接などにより固定し、封止と電気的導通を同時に行う。
【００３６】
圧電体６はケース１をグランドとして共用し、さらにケース１および封止体９で覆われるためノイズの影響を低減できる。また、封止するときケース１の内部に乾燥した窒素や不活性ガスを置換封入すると、圧電体６の電極、圧電体６とケース１の接着層などの長期間使用による劣化防止が可能である。
【００３７】
以上のように構成された超音波振動子の取り付け構造について、以下その動作、作用を説明する。
【００３８】
まず、有底筒状のケース１を囲うように電気的絶縁材料で成型された絶縁体１５について、もし仮に本実施の形態で示した絶縁体１５が無く超音波振動子１４は被取り付け部１６と電気絶縁距離の小さい状態で配置された場合について説明する。この場合、落雷などにより被取り付け部１６と超音波振動子１４の間に異常な高電圧が発生すると、被取り付け部１６と超音波振動子１４の間に大きな電流が流れて超音波振動子１４の圧電体６などに損傷が生じることになる。
【００３９】
この損傷を防止するには異常な高電圧に対してリークに至る耐電圧を高めるため電気絶縁距離を大きくすることが必要になる。しかし、ケース１と取り付け壁２５との距離を大きくするには、取り付け穴を大きくすると共にフランジ８などで形成した固定部７の外形を大きくせねばならず、小型化に逆行する。
【００４０】
しかし、本実施の形態のように電気絶縁材料で成型した絶縁体１５を設置すると、小型のままで超音波振動子１４と被取り付け部１６とが電気的絶縁物によって遮蔽され絶縁距離が大きくなり、落雷などにより被取り付け部側と超音波振動子間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧を高めることができ、リーク電流による超音波振動子の破損を防いで信頼性を向上できる。
【００４１】
また、被取り付け部１６への絶縁体１５の取り付け時や、絶縁体１５への超音波振動子１４の取り付け時にスムーズに挿入できるよう適度なクリアランス１７を設けているため、被計測流体であるガスや液体が被取り付け部１６から漏れ出す恐れがある。そのために、シール材１８によって絶縁体１５と被取り付け部１６との気密シール性を確保することができる。
【００４２】
次に本実施の形態における最大の効果をもたらす、被取り付け部１６への超音波振動子１４の取り付け方法について説明する。被取り付け部１６にまず絶縁体１５の下側に配置されているシール材１８を取り付ける。なお、シール材１８は例えばＯリングを使用する場合、被取り付け部１６の壁面に窪みを設けていればＯリングの装着が容易にでき、取り付け場所も規定される。次に絶縁体１５を被取り付け部１６に挿入し、絶縁体１５の上側に配置されているシール材１８を取り付ける。なお、シール材１８は例えばＯリングを使用する場合、被取り付け部１６の壁面に窪みを設けていればＯリングの装着が容易にでき、取り付け場所も規定される。
【００４３】
次に超音波振動子１４を絶縁体１５とシール材１８を装着した被取り付け部１６に挿入する。最後に固定体１９にて固定部７と絶縁体１５の上部を押さえるように取り付けることにより、シール材１８の密着性が増し、超音波振動子を固定することができる。
【００４４】
以上のように、部品ひとつひとつを被取り付け部１６に装着していくことにより前工程での準備作業が不要となるほか、装着状態を目視確認しながら確実に作業を進めることができる。特にシール材１８については、少しでもずれて装着したり、折れ曲がって装着したりすると被取り付け部１６からのガス漏れや水もれに繋がることになるので、本実施の形態のようにシール材１８を線接触で密着させることによって、特にＯリングを使用することによって構造上も作業性上も信頼性を向上することができる。
【００４５】
このように超音波計測装置として必要な信頼性を堅持しながらも、計測流路の被取り付け部１６へ事前にシール材１８と絶縁体１５を取り付けることができ、超音波振動子１４の取り付け性が向上できる。また、それぞれの部品の形状の簡易化と、シンプルな構成と工程の単純化をすることで作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができ、漏洩がなく安全で計測精度が高く計測範囲の大きい流量計測装置が実現できる。
【００４６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における超音波振動子の取り付け構造の断面図を示すものである。
【００４７】
本実施の形態において実施の形態と同一部材および同一機能を有するものは同一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。
【００４８】
絶縁体１５の端部には内リブ２０が設けられており、内リブ２０は超音波振動子１４の固定部７を環状に囲っている絶縁体１５の内向き側に環状の対称位置に少なくとも２箇所設けられ、ある程度の可動性を備え固定部７を押えるような形状の係止手段である。なお、内リブ２０は環状の位置に多数個設けてもよい。
【００４９】
また、絶縁体１５の外周部には外リブが設けられており、外リブ２１は固定部７を環状に囲っている絶縁体１５の外向き側に環状の対称位置に少なくとも２箇所設けられ、形状は絶縁体１５を被取り付け部１６に挿入し易いよう図２の垂直下方向にはなだらかに成型され、垂直上方向は絶縁体１５を被取り付け部１６に取り付けた後容易に抜けないよう返し構造を備えたものである。なお、外リブ２１はある程度の可動性を備えてもよい。
【００５０】
一方、被取り付け部１６の外リブ２１に対応する位置には、嵌め込み穴２２が設けられており、嵌め込み穴２２は外リブ２１と同じような形状であり、絶縁体１５が挿入された状態で外リブ２１が入り込むような位置に設けられている。なお、外リブ２１と嵌め込み穴２２は環状の位置に多数個設けてもよく、形状は半円状や半円球状としてもよい。
【００５１】
以上のように構成された本実施の形態における超音波振動子の取り付け構造について、以下その動作、作用を説明する。
【００５２】
まず、被取り付け部１６に絶縁体１５の下側に配置されているシール材１８を取り付ける。なお、シール材１８は例えばＯリングを使用する場合、被取り付け部１６の壁面に窪みを設けていればＯリングの装着が容易にでき、取り付け場所も規定される。
【００５３】
次に絶縁体１５を被取り付け部１６に挿入し、絶縁体１５の上側に配置されているシール材１８を取り付ける。なお、シール材１８は例えばＯリングを使用する場合、被取り付け部１６の壁面に窪みを設けていればＯリングの装着が容易にでき、取り付け場所も規定される。
【００５４】
次に超音波振動子１４を絶縁体１５とシール材１８を装着した被取り付け部１６に挿入する。挿入途中に固定部７が内リブ２０を外側に広げるように作用し、固定部７がシール材１８まで到達すると固定部７に広げられていた内リブ２０が元に戻り、固定部７を押さえ込むような係止手段となる。このような係止手段とすることで固定部７を押える固定体が不要であり、部品削減が可能となる。また固定部７を抑える固定体を被取り付け部１６に装着していたビス締め等が不要となり、取り付け工程も簡素化できる。
【００５５】
このように超音波計測装置として必要信頼性を堅持しながらも、より一層、部品の形状の簡易化、シンプルな構成と工程の単純をすることで作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができ、漏洩がなく安全で計測精度が高く計測範囲の大きい流量計測装置が実現できる。
【００５６】
また、被取り付け部１６と絶縁体１５の取り付けを、嵌め込み穴２２に外リブ２１を嵌め込むような係止手段とすることにより、特に、シンプルな構成と工程の単純化をすることで作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができ、漏洩がなく安全で計測精度が高く計測範囲の大きい流量計測装置が実現できる。
【００５７】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における超音波振動子の取り付け構造の断面図を示すものである。
【００５８】
本実施の形態において実施の形態１と同一部材および同一機能を有するものは同一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。
【００５９】
超音波振動子１４の有底筒状のケース１の側壁側と絶縁体１５との間には振動伝搬防止帯２３が設けられており、ケース１の側壁３と絶縁体１５が接触しないよう、１ｍｍ〜２ｍｍ程度の隙間を設けている。
【００６０】
以上のように構成される超音波振動子の取り付け構造について、以下その動作、作用を説明する。
【００６１】
超音波計測装置は、送信側の超音波振動子１４と受信側の超音波振動子１４がお互いに
超音波の送信、受信を行うことにより動作している。送受信の超音波振動子１４の駆動時には、超音波振動子１４に駆動電気入力を印可されて圧電体６が振動し、この振動が音響整合層５を介して被計測流体に超音波パルスとして放射されるだけでなく、ケース１を振動させようとする。また、受信側では受信した超音波パルスは圧電体６で電気信号に変換されると同時にケース１も振動させようとする。
【００６２】
ケース１が振動すると、ケース１の振動が被取り付け部１６を介して受信側の超音波振動子１４に伝わり、受信側では被取り付け部１６を介した振動と受信した超音波パルスと合成されるため振幅、位相に影響して計測に誤差を与える要因となる。
【００６３】
このような超音波振動子１４自身の振動をできるだけ被取り付け部１６に伝搬しないようにするため、ケース１の側壁３側と絶縁体１５との間に振動伝搬防止帯２３を設けて物理的接触を避けて振動伝搬を防止している。なお、固定部７が封止体９との固着により剛性が高くなり、固定部７の振動が抑えられているため、固定部７と絶縁体１５の一部が接触していても計測に影響がある振動伝搬には至らない。
【００６４】
以上のようにすることで、残響の短い超音波パルスの送受信が可能で、取り付け側への振動伝搬の低減が可能な超音波振動子を得ることができ、残響によるノイズの発生の低減と被取り付け部側への振動伝搬の低減ができ、Ｓ／Ｎが改善されて被測定流体の流量、流速の計測精度、計測範囲の拡大など計測特性が向上できる。
【００６５】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４を示す超音波流量計測装置の構成図を示すものである。
【００６６】
本実施の形態において実施の形態１〜３と同一部材及び同一機能を有するものは同一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。
【００６７】
超音波流量計測装置における被計測流体が流れる流路にあって、被計測流体の流速の測定位置である計測流路２４は流路壁２５に囲まれた幅Ｗの流路である。２個の超音波振動子２６、２７は互いに対向するように流路壁２５の被取り付け部１６に実施の形態２に記載した取り付け構造により取り付けられており、上流側の超音波振動子２６と下流側の超音波振動子２７は距離Ｌを隔てるとともに速度Ｖの被計測流体の流れに対して角度θ傾けて設置されている。超音波振動子２６、２７に対して超音波の送受信をさせる計測制御部２８が接続されており、計測制御部２８は超音波振動子２６、２７の信号を基に流速を計算し流量を算出する演算部２９を備えている。
【００６８】
以上のように構成された超音波流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００６９】
計測流路２４を被計測流体が流れている時に、計測制御部２８の作用により超音波振動子２６、２７間で計測流路２４を横切るようにして超音波の送受信が行われる。すなわち、上流側の超音波振動子２６から発せられた超音波が下流側の超音波振動子２７で受信されるまでの経過時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波振動子２７から発せられた超音波が上流側の超音波振動子２６で受信されるまでの経過時間Ｔ２を計測する。このようにして測定された経過時間Ｔ１およびＴ２を基に、以下の演算式により演算部２９で流量が算出される。
【００７０】
いま、被計測流体の流れと超音波伝播路とのなす角度をθとし、流量測定部である超音波振動子２６、２７間の距離をＬ、被測定流体の音速をＣとすると、流速Ｖは以下の式にて算出される。
【００７１】
Ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
Ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
Ｔ１の逆数からＴ２の逆数を引き算する式より音速Ｃを消去して
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）｛（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）｝
θおよびＬは既知なのでＴ１およびＴ２の値より流速Ｖが算出できる。
【００７２】
いま、空気の流量を計ることを考え、角度θ＝２７度、距離Ｌ＝７０ｍｍ、音速Ｃ＝３４０ｍ／秒、流速Ｖ＝８ｍ／秒を想定すると、Ｔ１＝２．０／１００００秒、Ｔ２＝２．１／１００００秒であり、瞬時計測ができる。
【００７３】
ここで、計測流路２４の流れ方向に直交する横断面積ｓより、流量ＱはＱ＝ｋＶｓここで、ｋは横断面積ｓにおける流速分布を考慮した換算係数である。このようにして演算部２９で流量を求めることができる。
【００７４】
超音波による流量計測では、時間Ｔ１、Ｔ２を高精度に計測することが重要である。すなわち、送信側では残響の少ない超音波振動を被計測流体中のみに発することが大切であり、受信側では流体通路壁を伝搬した超音波振動は排除し被計測流体中を伝搬した超音波振動のみを残響を少なく受信することが大切である。
【００７５】
本実施の形態の超音波流量計測装置では、超音波振動子１４を絶縁体１５で囲うことでコンパクトなスペースのままで流路壁２５から電気的な絶縁距離を大きく確保でき、耐電圧性を高めて雷サージ性が向上でき、信頼性の高い計測装置が実現できる。絶縁体１５とシール材１８とにより、計測精度、計測範囲、雷サージ性に優れ信頼性、実用性に優れた計測装置が実現できる。
【００７６】
このように超音波計測装置として必要な信頼性を堅持しながらも、被取り付け部１６へ事前にシール材１８と絶縁体１５を取り付けることができ、超音波振動子１４の取り付け性が向上できる。
【００７７】
また、絶縁体１５の一部に内リブ２０と外リブ２１の係止手段を備えることにより、より一層それぞれの部品の形状の簡易化、シンプルな構成と工程の単純をすることができ、作業ミスが低減でき作業信頼性を向上することができる。
【００７８】
なお、本実施の形態おいては、実施の形態２に記載して取り付け構造により超音波振動子を被取り付け部に取り付けたが、これに限るものではなく、実施の形態１または３に記載の取り付け構造を採用した場合も同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上のように、本発明にかかる超音波振動子の取り付け構造は、超音波計測装置としての信頼性を備え、超音波振動子を被計測流路に組み付ける工程が単純化され、作業ミスを低減することが可能となるので、ガスメーターや水道メーターなどの高信頼性が要求される流体計測装置等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００８０】
１ ケース
５ 音響整合層
６ 圧電体
１４、２６、２７ 超音波振動子
１５ 絶縁体
１６ 被取り付け部
１８ シール材
２０ 内リブ（係止手段）
２３ 振動伝搬防止帯
２４ 計測流路
２８ 計測制御部
２９ 演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底筒状のケースと音響整合層と圧電体とを備えた超音波振動子と、
電気的絶縁性の材料で形成した絶縁体と、
気密シール性のシール材と、
被取り付け部と、を含み、
前記超音波振動子を前記絶縁体を介して前記被取り付け部に取り付ける取り付け構造において、
前記超音波振動子と前記絶縁体との間および前記絶縁体と前記被取り付け部との間に、前記シール材を介装したことを特徴とする、
超音波振動子の取り付け構造。
【請求項２】
前記絶縁体は係止手段を備え、
前記係止手段で前記超音波振動子を前記絶縁体に係止する、
請求項１に記載の超音波振動子の取り付け構造。
【請求項３】
前記絶縁体と、前記超音波振動子との間に振動伝搬防止帯を備えた、
請求項１または２に記載の超音波振動子の取り付け構造。
【請求項４】
少なくとも一対の前記超音波振動子と、
被計測流体が流れる計測流路と、
前記計測流路に対向して配置された複数の前記被取り付け部と、
前記超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測制御部と、
前記計測制御部からの信号に基づいて流量を算出する演算部と、を含み、
前記超音波振動子は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波振動子の取り付け構造により前記計測流路の被取り付け部に取り付けられた、
超音波流量計測装置。
【請求項１】
有底筒状のケースと音響整合層と圧電体とを備えた超音波振動子と、
電気的絶縁性の材料で形成した絶縁体と、
気密シール性のシール材と、
被取り付け部と、を含み、
前記超音波振動子を前記絶縁体を介して前記被取り付け部に取り付ける取り付け構造において、
前記超音波振動子と前記絶縁体との間および前記絶縁体と前記被取り付け部との間に、前記シール材を介装したことを特徴とする、
超音波振動子の取り付け構造。
【請求項２】
前記絶縁体は係止手段を備え、
前記係止手段で前記超音波振動子を前記絶縁体に係止する、
請求項１に記載の超音波振動子の取り付け構造。
【請求項３】
前記絶縁体と、前記超音波振動子との間に振動伝搬防止帯を備えた、
請求項１または２に記載の超音波振動子の取り付け構造。
【請求項４】
少なくとも一対の前記超音波振動子と、
被計測流体が流れる計測流路と、
前記計測流路に対向して配置された複数の前記被取り付け部と、
前記超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測制御部と、
前記計測制御部からの信号に基づいて流量を算出する演算部と、を含み、
前記超音波振動子は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波振動子の取り付け構造により前記計測流路の被取り付け部に取り付けられた、
超音波流量計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−７９７５（Ｐ２０１２−７９７５Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４３４７４（Ｐ２０１０−１４３４７４）
【出願日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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