超音波送受波器及び超音波流量計

【課題】超音波送受波器を精度よく取り付けることができ、これにより高精度の流量計測が可能な超音波流量計を提供すること。
【解決手段】圧電体１２と圧電体支持板１１を覆うように形成された絶縁性制振部材１５に孔部１８を形成し、この孔部１８に固定部材９の突出部１９を挿入して圧電体支持板１１を押圧することにより、超音波送受波器５をその超音波放射面１３が傾くことなく固定することができる。これにより、精度の良い伝播時間計測を行うことができ、高精度の流量計測を実現できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中に超音波を送信、または、流体中から超音波を受信するための超音波送受波器、及びこの超音波送受波器を用いた超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の超音波流量計に用いる超音波送受波器としては、例えば図１１に示すようなものがある。この例では、天部６０、側壁部６１、この側壁部６１より外側に延びる支持部６２を有する有天筒状のケース６３と、前記天部６０の内壁面に固定した圧電体６４と、前記側壁部６１の外周に被着、密着してこの側壁部６１の振動を抑制する制振体６５と、前記支持部６２を保持する保持部６６と、前記ケース６３を防振的に取付部に取付ける振動伝達抑止体６７を備えている。そして、制振体６５と振動伝達抑止体６７の保持部６６とを一体に形成している（特許文献１参照）。
【０００３】
また、他の例として図１２に示すものがある（特許文献２参照）。この例では、圧電素子７０の片面に波長λの１／４の厚さを有する音響整合層７１が固定されており、圧電素子７０を囲むように構成された筒状ケース７２が音響整合層７１に固定されている超音波センサ７３が開示されている。特に、その音響整合層７１は合成樹脂にガラスバルーンを分散させることにより構成されており、ケース７２は音響整合層７１よりも音響インピーダンスの大きいプラスチック材料により構成されており、ケース７２内に圧電素子７０を埋めるように弾性樹脂７４が充填されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５９５５１号公報
【特許文献２】特開平１０−２２４８９５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、前記従来の構成の超音波送受波器では、超音波流量計に用いる場合、保持部が傾斜すると、圧電体の放射面が傾斜してしまい、超音波の伝搬路の方向がずれることとなる。これにより、伝搬時間つまり、計測精度に影響を及ぼすという課題があった。
【０００６】
また、圧電素子を埋めるように弾性樹脂を充填する場合、充填材で信頼性の確保がなされるとともに超音波放射面の位置は確定されるが、このように形成されたものを、残響伝搬の少ない状態で流路に取り付ける方法については、課題が残るものであった。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波送受波器の超音波放射面を精度よく設定可能にするとともに、残響伝搬の発生をも抑制する固定方法を与え、これにより高精度な流量計測を実現する超音波流量計の実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため本発明の超音波送受波器は、圧電体支持板と、前記圧電体支持板の一方の面に固定した音響整合体と、他方の面に固定した圧電体とを備え、前記圧電体と、前記圧電体支持板を覆うように絶縁性制振部材を一体的に形成し、前記絶縁性制振部材には、外部より圧電体支持板に到達する孔部を形成したことを特徴とするものである。
【０００９】
これにより、前記孔部において、外部の固定部材に設けた突出部により圧電体支持板を
押圧して、超音波送受波器の放射面を精度よく設定することを可能にしたものである。
【００１０】
さらに、本発明の超音波送受波器は、天部、側壁部、前記側壁部より外側に延びる支持部を有する有天筒状金属ケースと前記ケース部内壁面に収容される圧電体と、音波放射面に備えられた音響整合体とを備え、前記圧電体と、前記有天筒状金属ケースを覆うように絶縁性制振部材を一体的に形成し、前記絶縁性制振部材には、外部より前記支持部に到達する孔部を形成してもよい。
【００１１】
これにより、前記孔部において、外部の固定部材に設けた突出部にて有天筒状金属ケースの端部を押圧することにより、超音波送受波器の圧電体から離れた部分で超音波送受波器を固定することができるため、圧電体からの残響伝搬をより減衰させることが可能となるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の超音波送受波器は、超音波の放射面を精度よく設定することができ、これにより、高精度な流量計測を達成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波流量計の流れ方向断面図
【図２】本発明の実施の形態１における超音波送受波器および流路への取り付け構成部の部分断面図
【図３】図２における部分断面図
【図４】図２における線分ＡＡ’、ＢＢ’における断面図
【図５】本発明の実施の形態１における超音波送受波器の固定部材の図
【図６】本発明の実施の形態２における超音波送受波器および流路への取り付け構成部の部分断面図
【図７】図６における部分断面図
【図８】図６における線分ＣＣ’における断面図
【図９】本発明の実施の形態２における超音波送受波器の固定部材の図
【図１０】本発明の実施の形態３における超音波送受波器および流路への取り付け構成部の部分断面図
【図１１】従来の超音波送受波器１を示す図
【図１２】従来の超音波送受波器２を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明は、圧電体支持板と、前記圧電体支持板の一方の面に固定した音響整合体と、他方の面に固定した圧電体とを備えている。そして、前記圧電体と前記圧電体支持板を覆うように絶縁性制振部材を一体的に形成し、前記絶縁性制振部材には、外部より圧電体支持板に到達する孔部を形成したことを特徴とすることで、前記孔部において、外部の固定部材に設けた突出部により圧電体支持板を押圧することが可能となり、超音波送受波器の放射面を精度よく設定することを可能とするものである。
【００１５】
第２の発明は、天部、側壁部、前記側壁部より外側に延びる支持部を有する有天筒状金属ケースと前記有天筒状金属ケースの天部内面に収容される圧電体と、前記天部外面に設けられた音響整合体とを備えている。そして、前記圧電体と、前記有天筒状金属ケースを覆うように絶縁性制振部材を一体的に形成し、前記絶縁性制振部材には、外部より前記支持部に到達する孔部を形成したことを特徴としている。これにより、外部の固定部材に設けた突出部により有天筒状の金属ケースの端部に設けられた孔部において、金属ケースを押圧することが可能となり、超音波送受波器の圧電体が取り付けられている位置から離れた部分で固定部材により超音波送受波器を固定することができ、超音波送受波器の放射面
を精度よく設定することができる。また、固定部材からの残響伝搬を減衰させることを可能とするものである。
【００１６】
第３の発明は、特に、第１もしくは第２の発明において、前記孔部を少なくとも３か所に形成したことを特徴とするもので、少なくとも３点で押圧することにより、面としての固定を可能とするものである。
【００１７】
第４の発明は、特に、第１もしくは第２の発明において、前記孔部を前記圧電体側に形成したことを特徴とするもので、流路の外側から超音波送受波器を押さえることができるため、固定部材を配置し易い構成として実現できるものである。
【００１８】
第５の発明は、特に、第１もしくは第２の発明において、前記孔部を前記音響整合体側に形成したことを特徴とするもので、圧電体の位置をより正確に定めることができるものである。
【００１９】
第６の発明は、特に、第１もしくは第２の発明において、前記絶縁性制振部材の外周に突起部を設けたことを特徴とするもので、超音波送受波器のセンタの位置決めが正確にできるものである。
【００２０】
第７の発明は、特に、第１もしくは第２の発明において、前記絶縁性制振部材の軸方向に突起部を設けたことを特徴とするもので、超音波送受波器の軸方向の位置決めが正確にできるものである。
【００２１】
第８の発明は、流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部と、この流量測定部に設けられた第１から第７の発明のいずれか一つに記載の一対の超音波送受波器と、孔部においてこの超音波送受波器を保持する突出部と、この超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測手段と、この計測手段からの信号に基づいて流量を求める演算手段を備えた超音波流量計を構成したもので、送受波器の超音波放射面の位置、傾きを精度よく設定でき、これにより高精度な流量計測を達成することが出来るものである。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超音波流量計１の流れ方向断面図を示している。
【００２４】
図１において、超音波流量計１の流量測定部２は流路３を有しており、この流路３に対して、斜めに超音波が送受信できるように超音波を伝搬する開口部４ａ、４ｂが設けられ、それぞれの端部に、超音波送受波器５，６が対向するように固定されている。
【００２５】
図１において、Ｌ１は、超音波送受波器５から伝搬する超音波の伝搬経路を示しており、Ｌ２は超音波送受波器６からの超音波の伝搬経路を示している。
【００２６】
流路３を流れる流体の流速をＶ、流体中の音速をＣ、流体の流れる方向と超音波の伝搬方向のなす角度をθとする。
【００２７】
超音波送受波器６を送波器、超音波送受波器５を受波器として用いたときに、超音波送受波器６から出た超音波が超音波送受波器５に到達するまでの伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）（１）
で示される。
【００２８】
次に超音波送受波器５から出た超音波パルスが超音波送受波器６に到達するまでの伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）（２）
で示される。
【００２９】
そして、（１）と（２）の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝Ｌ／（２ｃｏｓθ（（１／ｔ１）−（１／ｔ２）））（３）
の式が得られる。
【００３０】
Ｌとθが既知なら、計測手段７により得られたｔ１、ｔ２の測定値を用い、演算手段８によって流速Ｖが求められる。この流速Ｖに流路３の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。演算手段８は、上記Ｑ＝ＫＳＶの演算も実施するものである。
【００３１】
このような計測系において、超音波送受波器５，６の超音波放射面が精度よく取り付けられていないと、超音波の伝搬経路がＬ１、Ｌ２からずれることになり、開口部４ａ、４ｂの内部で反射等が生じ、正確な伝搬時間の計測ができないことになる。
【００３２】
超音波送受波器５，６の流路３への取り付け状態及び、超音波送受波器５，６の構成に関して以下詳細に説明する。
【００３３】
図２は、本発明の実施の形態１における超音波送受波器および、流路への取り付け構成部の部分断面図を示している。また、図３は図２のＰ部拡大図を示し、図４（ａ）は図２の線分ＡＡ’における断面図、図４（ｂ）は図２の線分ＢＢ’における断面図を示している。
【００３４】
超音波送受波器５，６の取り付けは同様であるため、超音波送受波器５についてのみ説明を行う。
【００３５】
図２において、超音波送受波器５は、流路３の開口部４ａにおいて、固定部材９によって流路３へ押圧するように取り付けられる。
【００３６】
超音波送受波器５は、音響整合体１０と圧電体支持板１１、圧電体支持板１１と圧電体１２がそれぞれの接触平面において接着剤もしくは導電ペースト等で接着される。この実施例の場合、圧電体支持板１１は円盤状、音響整合体１０は円柱状、圧電体１２は直方体状にそれぞれ形成されているが、この形状に限定されるものではない。例えば、圧電体１２に縦振動のスプリアスを防止するためのスリットが形成されていても良い。
【００３７】
圧電体１２の両面には電極（図示せず）が形成されている。また、音響整合体１０の開放側端面は超音波の放射面１３となる。
【００３８】
リード線１４は、その一方が圧電体１２の一方の電極に接続され、他方は圧電体１２の他の電極に接合された圧電体支持板１１に接続されている。圧電体支持板１１と圧電体１２の電極とは、接合部に接着剤を用いた場合はオーミックコンタクトによって電気的に接続されている。
【００３９】
絶縁性制振部材１５は、圧電体１２と圧電体支持板１１を覆うように一体的に形成されている。
【００４０】
図３において図２のＰ部を詳細に説明する。絶縁性制振部材１５はその外周面１６ａに外周突起部１６ｂを有しており、流路３の周方向当接面１７ａに当接している。また、この外周突起部１６ｂは図４（ａ）のＡＡ’断面図に見られるごとく、絶縁性制振部材１５の外周面１６ａの全周に形成されている。この構成により、外周突起部１６ｂは超音波送受波器５の径方向の位置決めを精度よく行う役割を担っている。
【００４１】
また、図３において、絶縁性制振部材１５の面部１６ｃには軸方向突起部１６ｄが形成されており、流路３の軸方向当接面１７ｂに当接している。また、この軸方向突起部１６ｄは図４（ｂ）のＢＢ’断面図に見られるごとく、絶縁性制振部材１５の面部１６ｃの全周に形成されている。この構成により、軸方向突起部１６ｄは超音波送受波器５の中心軸方向の位置決めを精度よく行う役割を担っている。
【００４２】
なお、本実施例では、外周突起部１６ｂ、軸方向突起部１６ｄともに、全周に設けているが、超音波送受波器５の位置を精度よく位置決めできるのであれば、周方向の適当な位置において、少なくとも３か所以上設けるような構成としてもよい。
【００４３】
図４（ａ）に示されるように、絶縁性制振部材１５には３箇所に孔部１８が形成されている。この孔部１８は、図３に示すように、圧電体支持板１１の圧電体１２側において絶縁性制振部材１５の外部より貫通して、圧電体支持板１１に達するよう構成されている。
【００４４】
図５は固定部材９の平面図、および側面図を示したものである。固定部材９には、３箇所の突出部１９が設けられている。図３に示すように、この突出部１９が、絶縁性制振部材１５の孔部１８に挿入される。これにより、超音波送受波器５の圧電体支持板１１が流路３に直接押圧されるため、超音波送受波器５をその超音波放射面が傾くことなく固定することができる。
【００４５】
音響整合体１０は、ガラスの中空球体の隙間を熱硬化性樹脂で充填し、硬化した構成で実現することが出来る。あるいは、セラミック多孔体の音波放射面に音響膜を形成した構成でも可能である。音響整合体１０はいずれも、λ／４の厚みで調整することで超音波を効率よく被計測流体に伝搬することが出来る。
【００４６】
圧電体支持板１１は例えば、鉄、ステンレス、黄銅、銅、アルミ、ニッケルめっき鋼板等の金属材料であれば可能である。
【００４７】
圧電体１２は、圧電性を示す材料であればどのような材料であっても可能であるが、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等が好適である。圧電体１２とリード線１４との接合、および圧電体支持板１１とリード線１４との接合は、半田付け、導電ペースト等で接合可能である。
【００４８】
以上のように構成された超音波送受波器５について、以下その動作、作用を説明する。
【００４９】
図２において、圧電体１２はリード線１４を介して、図１に示す計測手段７より、圧電体の共振周波数に近い周波数の信号で駆動される。電気信号が圧電体１２に加えられると、圧電体１２によって電気信号が機械的振動に変換される。圧電体１２と音響整合体１０とは共振することによって、より大きな超音波パルスが、開口部４ａを通って被計測流体に伝搬する。
【００５０】
このとき、超音波送受波器５は、上記した構成により、径方向、軸方向に対して精度よく固定されているため、その超音波送受波器５の超音波放射面１３が傾くことがない。こ
のため、超音波は不要な反射を生じることなく伝搬し、精度の良い伝播時間測定をすることができる。
【００５１】
また、超音波送受波器５の固定が固定部材９の突出部１９により、点接触的に行われているため、圧電体１２の残響が流路３に伝わるのを最小限にとどめている。この効果は、絶縁性制振部材１５自体が、残響の振動を減衰させることと合まって、残響時間の短縮化に寄与するものである。
【００５２】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における超音波送受波器および、流路への取り付け構成部の部分断面図を示している。また、図７は図６のＱ部拡大図を示している。
【００５３】
図６において、絶縁性制振部材２０により覆われた超音波送受波器５が固定部材２１により流路３の開口部４ａにおいて、流路３へ押圧するように取り付けられているのは、実施の形態１と同じである。
【００５４】
図７において図６のＱ部を詳細に説明する。絶縁性制振部材２０には、音響整合体１０の側において絶縁性制振部材２０の外部より貫通して、圧電体支持板１１に達する孔部２２が形成されている。また、流路３には突出部２３が形成されている。
【００５５】
図８に示すように、絶縁性制振部材２０の孔部２２は３箇所に形成されている。また、突出部２３もこの孔部２２に対応する位置に３箇所設けられている。
【００５６】
図７に示すように、この突出部２３が、絶縁性制振部材２０の孔部２２に挿入されることにより、超音波送受波器５の圧電体支持板１１は固定部材２１の押圧方向に対して、突出部２３により精度よく位置決めされるため、超音波送受波器５をその超音波放射面１３が傾くことなく固定することができる。
【００５７】
図９に示すように、この場合の固定部材２１はドーナツ状の円板である。
【００５８】
上記以外の構成は第一の実施例と同じため、省略する。
【００５９】
以上のように構成された超音波送受波器においては、固定部材２１を用いて絶縁性制振部材２０を押圧して取り付けることにより、圧電体支持板１１は押圧方向に対して、突出部２３により精度よく位置決めされるため、超音波送受波器５の超音波放射面１３を傾くことなく固定することができる。このため、超音波は不要な反射を生じることなく伝搬し、精度の良い伝播時間測定をすることができる。
【００６０】
また、超音波送受波器５の固定が突出部２３により、点接触的に行われているため、圧電体１２に生じる残響が流路３に伝わるのを最小限にとどめている。この効果は、絶縁性制振部材２０自体が、超音波パルスの振動を減衰させることと合まって、残響時間の短縮化に寄与するものである。
【００６１】
（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３における超音波送受波器および、流路への取り付け構成部の部分断面図を示している。
【００６２】
図１０において、超音波送受波器２４は、流路３の開口部４ａにおいて、固定部材９によって流路３へ押圧するように取り付けられる。この場合は第一の実施例における圧電体支持板１１が有天筒状金属ケース２５に置き換えられたものである。
【００６３】
有天筒状金属ケース２５は、天部２６、側壁部２７、この側壁部２７より外側へ延びる支持部２８を備えている。圧電体１２は天部２６の内側に接合されており、音響整合体１０は天部２６の外側に接合されている。
【００６４】
リード線１４は、その一方が圧電体１２の一方の電極に接続され、他方は圧電体１２の他の電極に接合された有天筒状金属ケース２５に接続されている。有天筒状金属ケース２５と圧電体１２の電極とは、接合部に接着剤を用いた場合はオーミックコンタクトによって電気的に接続されている。
【００６５】
絶縁性制振部材２９は、圧電体１２の外周を含む有天筒状金属ケース２５の内部と、有天筒状金属ケース２５を覆うように、一定強度の接着力で一体的に形成されている。
【００６６】
また、この場合、固定部材９の突出部１９が有天筒状金属ケース２５の支持部２８を直接押圧するように構成されている。
【００６７】
上記以外の構成は第一の実施例と同じため、省略する。
【００６８】
以上のように構成された超音波送受波器においては、有天筒状金属ケース２５の支持部２８にて、超音波送受波器２４を固定する構成となっているため、圧電体１２からより遠い位置での固定が可能となり、より残響の伝達が抑制されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、超音波の放射面を精度よく設定できるため、精度のよい伝播時間測定が可能となり、高精度な流量計測が必要とされる、ガスメータ、産業用流量計等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００７０】
１超音波流量計
２流量測定部
３流路
５超音波送受波器
６超音波送受波器
７計測手段
８演算手段
１０音響整合体
１１圧電体支持板
１２圧電体
１５絶縁性制振部材
１６ｂ外周突起部
１６ｄ軸方向突起部
１８孔部
２０絶縁性制振部材
２２孔部
１９，２３突出部
２４超音波送受波器
２５有天筒状金属ケース
２６天部
２７側壁部
２８支持部
２９絶縁性制振部材

【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体支持板と、前記圧電体支持板の一方の面に固定した音響整合体と、他方の面に固定した圧電体とを備え、
前記圧電体と、前記圧電体支持板とを覆うように絶縁性制振部材を一体的に形成し、
前記絶縁性制振部材には、外部より圧電体支持板に到達する孔部を形成したことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項２】
天部、側壁部、前記側壁部より外側に延びる支持部を有する有天筒状金属ケースと前記有天筒状金属ケースの天部内面に収容される圧電体と、前記天部外面に設けられた音響整合体とを備え、
前記圧電体と、前記有天筒状金属ケースとを覆うように絶縁性制振部材を一体的に形成し、
前記絶縁性制振部材には、外部より前記支持部に到達する孔部を形成したことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項３】
前記孔部を少なくとも３か所に形成したことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の超音波送受波器。
【請求項４】
前記孔部を前記圧電体側に形成したことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の超音波送受波器。
【請求項５】
前記孔部を前記音響整合体側に形成したことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の超音波送受波器。
【請求項６】
前記絶縁性制振部材の外周に突起部を設けたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の超音波送受波器。
【請求項７】
前記絶縁性制振部材の軸方向に突起部を設けたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の超音波送受波器。
【請求項８】
流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部と、この流量測定部に設けられた請求項１から７のいずれか１項に記載の少なくとも一対の超音波送受波器と、前記孔部において前記超音波送受波器を保持する突出部と、前記この超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測手段と、この計測手段からの信号に基づいて流量を求める演算手段を備えた超音波流量計。

【図３】