(57)【要約】【課題】超音波送受波器の特性安定化および、被測定流体の計測を安定化することを目的とする。【解決手段】音響整合体５、圧電体４、および前記圧電体４の電極２，３に電気的に接続された電極リード６を絶縁体１１で被覆したことにより、超音波送受波器が急激な温度変化による結露、降雨などで雨水に触れた場合、電極間に絶縁体が被覆されているため、安定した超音波の送受波が行うことができ、被測定流体の流速および／または流量を安定的に計測することができる。【選択図】図１
2010181355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響整合体、圧電体、および前記圧電体の電極に電気的に接続された電極リードを絶縁体で被覆した超音波送受波器。
【請求項２】
音響整合体、圧電体、前記圧電体の電極に電気的に接続された電極リードで構成され、空間に暴露される前記圧電体の一方の電極と、電極リードの導電部とを絶縁体で被覆した超音波送受波器。
【請求項３】
音響整合体、圧電体、前記圧電体の電極部電気的に接続された電極リードとで構成され、空間に暴露された少なくとも前記圧電体における一方の電極、および電極リード導電部を絶縁体で被覆した超音波送受波器。
【請求項４】
金属ケースの内面に圧電体を、外面に音響整合体をそれぞれ対向して配置した請求項１から３のいずれか１項記載の超音波送受波器。
【請求項５】
被測定流体が流れる流路の上下流側に請求項１〜４のいずれかに１項記載の超音波送受波器を配置し、これら超音波送受波器間の超音波伝播時間に基づき前記被測定流体の流速および／または流量を演算するようにした超音波流れ計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体などの流体を介して超音波を送信し、受信するための超音波送受波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９に示すように、従来の超音波送受波器４１は、両面に電極４２を設けた圧電体４３に音響整合体４４を接合して構成されており、前記電極４２には電極リード４５が溶接、半田付けなどで接合してある。
【０００３】
そのため、前記電極４２間、あるいは、これら電極４２に接合された電極リード４５は大気中に暴露された状態となっている。
【０００４】
また、図１０に示す超音波送受波器４６は、有天筒状金属ケース４７の頂壁内面に接着剤などの接合手段４８を介して圧電体４９を、頂壁外面に接着剤などの接合手段５０を介して音響整合体５１をそれぞれ固定したものである。
【０００５】
金属ケース４７の開放側には導電性の端子板５２が溶接によって接合されている。この端子板５２は電極端子５３，５４を備え、一方の電極端子５３は端子板５２、および金属ケース４７を介して圧電体４９の一方の電極５５に、一方の電極端子５４は絶縁材５６で絶縁されて端子板５２を貫通し、圧電体４９の他方の電極５７にそれぞれ接続されているものである。
【０００６】
電極５５，５７には電極端子５３，５４を介して電気信号が伝えられ、圧電体４９がこの電気信号を振動へ変換し、そこで発生した振動を音響整合体５１を通して効率よく被測定流体に伝達する。
【０００７】
そして、電極端子５３，５４、およびこれに接合される電極リードは電気的に大気中に暴露された状態となっている（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開２００６−２１７００２号公報
【特許文献２】特開２００３−１１１１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記の従来構成では、超音波送受波器が急激な温度変化による結露、降雨などで雨水に対して接触し、これより、電流が漏洩し、安定した計測が不可能となることがあった。
【０００９】
すなわち、超音波送受波器を駆動させ、得られた信号を計測回路に伝える目的で電極端子と電極リードとを電気的に接合するが、接合方法などによっては電極リードのめっき部分よりウィスカが成長し、電極間あるいは端子間の電流の漏洩によって、安定した流量計測が不可能となる。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、被測定流体を安定して計測できる超音波送受波器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】
【００１１】
上記課題を解決するため本発明は、音響整合体、圧電体、および前記圧電体の電極に電
気的に接続された電極リードを絶縁体で被覆したものである。
【００１２】
上記した構成により、急激な温度変化による結露、降雨などで雨水に対して電極間が電気的に接触することがなく、電流が漏洩せず、被測定流体を安定的に計測することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、安定した超音波送受波器とすることができるため、被測定流体を安定して計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第１の発明は、音響整合体、圧電体、および前記圧電体の電極に電気的に接続された電極リードを絶縁体で被覆したものである。
【００１５】
その結果、被測定流体計測時の急激な温度変化、降雨などによる電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定的に計測を行うことができる。
【００１６】
第２の発明は、音響整合体、圧電体、前記圧電体の電極に電気的に接続された電極リードで構成され、空間に暴露される前記圧電体の一方の電極と、電極リードの導電部とを絶縁体で被覆したことにより、被測定流体計即時の急激な温度変化、降雨等による電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定的な計測を行うことができる。
【００１７】
第３の発明は、音響整合体、圧電体、前記圧電体の電極に電気的に接続された電極リードとで構成され、空間に暴露された少なくとも前記圧電体における一方の電極、および電極リード導電部を絶縁体で被覆したことにより、被測定流体計即時の急激な温度変化、降雨などによる電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定的な計測を行うことができる。
【００１８】
第４の発明は、特に、前記第１〜第３の発明の一つにおいて、金属ケースの内面に圧電体を、外面に音響整合体をそれぞれ対向して配置したことにより、被測定流体計測時の急激な温度変化、降雨等による電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起こらず、安定的な計測を行うことができ、加えて、圧電体がケース内に配置されているところから、電極の腐食、変質が抑制され、信頼性の優れた計測を行なうことができる。
【００１９】
第５の発明は、被測定流体が流れる流路の上下流側に前記第１〜第４の発明の一つの超音波送受波器を配置し、これら超音波送受波器間の超音波伝播時間に基づき前記被測定流体の流速および／または流量を演算するようにした超音波流れ計測装置で、流速、流量などの計測が安定的に行うことができるものである。
【００２０】
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。
【００２１】
（実施の形態１）
図１において、超音波送受波器１は、上下に電極２，３を備える圧電体４と、音響整合体５とを接着剤で接合して構成されている。
【００２２】
電極２，３は、銀または金などの導電性ペーストを加熱し、焼き付けて形成されており
、電極リード６とは、抵抗溶接、はんだ、銀ロウなどによって電気的に接合されている。
【００２３】
電極リード６は電極リード導電部７と、電極リード絶縁部８で構成され、空間に暴露された導電部９と電極リード絶縁部８で覆われた絶縁部１０とに分けて設定されている。
【００２４】
空間に暴露された導電部９、あるいは、圧電体４の電極２，３の部分が、不純物を含んだ水、例えば雨水や、急激な温度変化によって結露する不純物を含んだ結露水に触れた場合、電流漏洩が起こり、圧電体４に与えた電気信号に対し、期待する超音波が被検流体に放射されないため、正確な流量などの計測が不可能となる。
【００２５】
そのため、電極リード６を含む超音波送受波器１の外周すべてを絶縁体１１で覆う構成としている。
【００２６】
絶縁体１１は、例えば、ポリ−モノクロロパラキシリレン、ポリパラキシシリレンをＣＶＤ蒸着することで行なうことができる。パリレンの膜厚は５μｍ程度で、超音波送受波器１を隙間なくコーティングすることができる。
【００２７】
以下、音響整合体５について説明する。
【００２８】
音響整合体５は、例えば、中空ガラスフィラーをフッ素コーディングをほどこした一定容器内で加振することで充填し、その容器内に、硬化剤を混入したエポキシ樹脂を含浸させ、それらを治具ごとオーブンに入れて加熱する。
【００２９】
加熱条件は、例えば、１５０℃、１ｈで行なう。硬化した成型体を治具より抜き出し、スライス加工を行い、圧電体４と接着接合するために、スライス加工した音響整合体５を超音波で洗浄を行なうようにしている。
【００３０】
この音響整合体５を接着剤で接合することで、実施の形態１の超音波送受波器１とすることができる。
【００３１】
上記した構成により、被測定流体計測時の急激な温度変化、降雨等による電極２，３、および電極リード６間への水分の付着による電流漏洩、電極リード６間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定した流量計測を行うことができる。
【００３２】
（実施の形態２）
図２は実施の形態２を示し、図１と同作用をおこなう構成部分には便宜上同一符号を付し、具体的説明は実施の形態１のものを援用する。
【００３３】
圧電体４における一方の電極２、および空間に暴露された電極リード導電部９と他方の電極３との間に存在する空間を絶縁体１１で充填する構成となっている。
【００３４】
この絶縁体は、例えば、紫外光で硬化する光硬化性エポキシ樹脂をディスペンサで塗布形成し、その後、紫外線ランプで硬化することで形成したものである。なお、絶縁体１１は、熱硬化性樹脂であっても実現することができ特に限定されるものではない。
【００３５】
上記した構成により、被測定流体計測時の急激な温度変化、降雨などによる電極２，３、および電極リード６間への水分の付着による電流漏洩、電極リード６間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定に流量計測を行うことができる。
【００３６】
（実施の形態３）
図３は実施の形態３を示し、図１と同作用をおこなう構成部分には便宜上同一符号を付し、具体的説明は実施の形態１のものを援用する。
【００３７】
圧電体４における一方の電極２および空間に暴露された電極リード導電部９と他方の電極３との間に存在する空間を絶縁体１１で充填する構成となっている。
【００３８】
この絶縁体は、例えば、紫外光で硬化する光硬化性エポキシ樹脂をディスペンサで塗布形成し、その後、紫外線ランプで硬化することで形成することができる。なお、絶縁体１１は、熱硬化性樹脂であっても実現することができ特に限定されるものではない。
【００３９】
上記した構成により、被測定流体計測時の急激な温度変化、降雨などによる電極２，３、および電極リード６間への水分の付着による電流漏洩、電極リード６間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定に流量計測を行うことができる。
【００４０】
（実施の形態４）
図４は、実施の形態４を示すものである。
【００４１】
すなわち、本実施の形態の超音波送受波器２１は、有天筒状の金属ケース２２を有するものである。
【００４２】
金属ケース２２の頂壁内面には接着剤からなる接合手段２３を介して圧電体２４が、頂壁外面には接合手段２５を介して音響整合体２６がそれぞれ密着接合してある。
【００４３】
金属ケース２２とその下方開放部を閉塞する金属性の端子板２７とは溶接によって電気的に接合されている。
【００４４】
端子板２７は電極端子２８，２９を備え、一方の電極端子２８は端子板２７と電気的に接続され、他方の電極端子２９は絶縁部材３０を介して絶縁的に端子板２７を貫通し、導電手段３１を経由して圧電体２４の下方の電極３２に接続されている。
【００４５】
そして、一方の電極端子２８は端子板２７、および金属ケース２２を経由して圧電体２４の上方の電極３３に接続されている。
【００４６】
圧電体２４の電極３２，３３に電極端子２８，２９を介して電気信号が伝えられると、圧電体２４はその電気信号を振動へ変換し、次いで、この振動は音響整合体２６を経由して効率よく被測定流体に伝達するものである。
【００４７】
圧電体２４は、金属ケース２２と端子板２７とで囲まれた密閉空間３４に位置しており、この密閉空間に不活性ガスである窒素、アルゴンガスを充填することで、電極３２，３３が腐食せず、経年変化の小さい超音波送受波器とすることができる。
【００４８】
ここで、超音波送受波器２１の外面、つまり、音響整合体２６の上部と外周、金属ケース２２、および端子板２７の外周と下面、さらには電極リード６を含む超音波送受波器１の外周すべてが絶縁体１１で覆われている。
【００４９】
なお、電極リード６は図１と同一構成のため、同一符号を付し、具体的説明は実施の形態１のものを援用する。
【００５０】
図５は本実施の形態における超音波送受波器２１の製造工程を示している。
【００５１】
（ａ）は、実施の形態１に記載した方法によって作製した音響整合体２６を示しており、（ｂ）は、圧電体２４に接合手段２３として用いる熱硬化性接着剤を塗布形成し、金属ケース２２の頂壁上面にも同様に接合手段２５を塗布形成する。
【００５２】
（ｃ）において、金属ケース２２に圧電体２４、および音響整合体２６を接合固定する。このとき、圧電体２４、金属ケース２２、音響整合体２６に約１から１０ｋｇ／ｃｍ２の加圧を加えた状態で、接合手段２３、および２５として用いた熱硬化性接着剤を硬化させる目的で加熱を行う。
【００５３】
以上の工程によって加熱硬化し接合された半完成品３５が形成される。この半完成品３５に備えられた金属ケース２２と導電手段３１を挿入した端子板２７とは、（ｄ）のように溶接によって電気的に接合した状態となる。
【００５４】
この溶接時に、密閉空間３４に不活性ガスであるアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスなどを封入し、圧電体２４における電３２，３３の劣化、圧電体２４と金属ケース２２との接合部分の劣化を軽減する役割を果たす。
【００５５】
金属ケース２２は、鉄、真鍮、銅、アルミ、ステンレス、あるいはこれらの合金、あるいは表面にめっきを施した導電性を有す材料であれば良い。
【００５６】
接合手段２３，２５として用いた熱硬化性接着剤は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂など熱硬化性樹脂であれば特に限定されない。
【００５７】
場合によっては、熱可塑性樹脂であっても、ガラス点移転が高温使用温度である７０℃以下であれば接着剤として使用できる。
【００５８】
（ｅ）は電極リード６を接合した状態を示しており、接合方法は、例えば、溶接、銀ロウ、半田付けなどで実現することができる。
【００５９】
（ｆ）は、外周に絶縁体１１をコーディングした状態を示している。
【００６０】
上記した構成により、圧電体２４が密閉空間内に配置されているため、測定環境における湿度、温度、汚染物質などに対し影響を受けず、特性の安定した超音波送受波器２１とし、被測定流体を安定的に流量計測できる。
【００６１】
（実施の形態５）
図６は、実施の形態５を示し、前記図４と同作用を行う構成部分には同一符号を付し具体的説明は実施の形態４のものを援用する。
【００６２】
すなわち、暴露された二つの電極リード導電部９が絶縁体１１で充填された構成となっている。
【００６３】
この絶縁体１１は、例えば紫外光で硬化する光硬化性エポキシ樹脂をディスペンサで塗布形成し、その後、紫外線ランプで硬化することで形成することができる。
【００６４】
この充填する絶縁体１１は、熱硬化性樹脂であっても実現することができ特に限定されるものではない。
【００６５】
上記した構成により、被測定流体計即時の急激な温度変化、降雨等による電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起
こらないため、安定に流量計測を行うことができる。
【００６６】
（実施の形態６）
図７は、実施の形態６を示し、前記図４と同作用を行う構成部分には同一符号を付し具体的説明は実施の形態４のものを援用する。
【００６７】
すなわち、本実施の形態では、暴露されたひとつの電極リード導電部９を絶縁体１１で充填する構成となっている。
【００６８】
この絶縁体は、例えば紫外光で硬化する光硬化性エポキシ樹脂をディスペンサで塗布形成し、その後、紫外線ランプで硬化することで形成することができる。
【００６９】
この充填する絶縁体１１は、熱硬化性樹脂であっても実現することができ特に限定されるものではない。
【００７０】
上記した構成により、被測定流体計即時の急激な温度変化、降雨などによる電極および電極リード間への水分の付着による電流漏洩、電極リード間のウィスカによる電流漏洩が起こらないため、安定に流量計測を行うことができる。
【００７１】
（実施の形態７）
図８は、実施の形態７である超音波流れ計測装置を示すものである。
【００７２】
図８において、流体の流れる流路３６の上下流側に実施の形態１から６に示した超音波送受波器３７を一対配置し、流れの中を超音波が斜めに横切るごとく構成したものである。
【００７３】
Ｌ１は上流側に配置された超音波送受波器３７から伝搬する超音波の伝搬経路を示しており、Ｌ２は下流側に配置された超音波送受波器３７の超音波の伝搬経路を示している。
【００７４】
流路３６を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向と超音波伝搬方向との角度をθとする。
【００７５】
上流側の超音波送受波器３７を超音波送波器、下流側の超音波送受波器３７を超音波受波器として用いたときに、超音波の伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）                      （１）
となり、
次に、下流側の超音波送受波器３７を超音波送波器、上流側の超音波送受波器３７を超音波受波器として用いたときに、超音波の伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）                      （２）
で示される。
【００７６】
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。
【００７７】
Ｌとθが既知なら、計時装置３８にてｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。
【００７８】
必要に応じて、この流速Ｖに流量計測部３６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。
【００７９】
演算手段３９は上記Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。
【００８０】
以上のように、本実施の形態においては、被測定流体の流速および／または流量を安定的に計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明にかかる超音波送受波器は、安定した流れ計測が可能となるため、家庭用流量計、産業用流量計のみならず、空気中に超音波を発生して距離を計測する自動車のバックソナー等の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波送受波器の断面図
【図２】本発明の実施の形態２における超音波送受波器の断面図
【図３】本発明の実施の形態３における超音波送受波器の断面図
【図４】本発明の実施の形態４における超音波送受波器の断面図
【図５】同実施の形態４における超音波送受波器の製造工程フロー図
【図６】本発明の実施の形態５における超音波送受波器の断面図
【図７】本発明の実施の形態６における超音波送受波器の断面図
【図８】超音波流れ計測装置の原理説明図
【図９】従来の超音波送受波器の断面図
【図１０】従来の超音波送受波器の他の例を示す超音波送受波器の断面図
【符号の説明】
【００８３】
１、２１  超音波送受波器
２，３，３２，３３  電極
４，２４  圧電体
５，２６  音響整合体
６  電極リード
１１  絶縁体
２２  金属ケース
３６  流路
【図１】
2010181355.tif 000003
【図２】
2010181355.tif 000004
【図３】
2010181355.tif 000005
【図４】
2010181355.tif 000006
【図５】
2010181355.tif 000007
【図６】
2010181355.tif 000008
【図７】
2010181355.tif 000009
【図８】
2010181355.tif 000010
【図９】
2010181355.tif 000011
【図１０】
2010181355.tif 000012